PROYECTO MINICENTRAL

8/13/2019 PROYECTO MINICENTRAL

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MINICENTRAL HIDROLECTRICA

AUTOR: Nstor Gutirrez i [email protected]

Resumen: En este proyecto realizaremos todos los clculos hidrulicos y elctricos suficientespara que podamos poner en servicio la minicentral de Rialp. La finalidad es la deaprovechar un salto ya existente, constituido por una presa y una tubera forzada yaconstruida, y as generar energa elctrica, la cul ser vendida a la compaasuministradora, realizando as un aporte energtico a la red.

Titulacin: Ingeniera Tcnica Elctrica

Da de presentacin: ( 28/01/02 )


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NDICE


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1 ndice ........................................................................................................................ 3

2 Memoria Descriptiva .......................................................................................... 22

3 - Memoria de Clculo ............................................................................................. 80

4 Planos ...................................................................................................................... 124

5 Presupuesto .......................................................................................................... 135

6 Pliego de Condiciones ....................................................................................... 179

7 Plan de Seguridad y salud .............................................................................. 214


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Memoria Descriptiva


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2.1 Objeto del Proyecto ................................................................................................. 23

2.2 - Situacin ................................................................................................................... 23

2.3 Antecedentes ............................................................................................................ 23

2.3.1 Datos Tcnicos de la Empresa ......................................................................... 23

2.4 Descripcin General ................................................................................................ 24

2.5 Prescripciones Tcnicas .......................................................................................... 25

2.5.1 Obra Civil, Construccin, Excavaciones y Movimientos de Tierras .............. 25

2.5.1.2 Descripciones de las Construcciones ....................................................... 26

2.5.1.2.1 Edificio de la Central .......................................................................... 26

2.5.1.2.2 Tubera Forzada .................................................................................. 29

2.5.1.2.3 Vertedero .............................................................................................. 31

2.5.2 Parte Hidrulica ............................................................................................... 32

2.5.2.1 Aspectos a Tener en Cuenta a la Hora de Elegir la Turbina .................. 32

2.5.2.1.1 Altura Neta ........................................................................................... 33

2.5.2.1.2 Caudal .................................................................................................. 34

2.5.2.1.3 Potencia de la Turbina ........................................................................ 34

2.5.2.1.4 Rendimiento de la Turbina ................................................................. 352.5.2.1.5 Velocidad Especfica ........................................................................... 37

2.5.2.2 Tipo de Turbina ........................................................................................ 37

2.5.2.2.1 Tendencias Actuales en la Construccin de la Turbina .................... 37

2.5.2.2.2 Eleccin de la Disposicin del Eje ...................................................... 38

2.5.2.3 Caractersticas de la Minicentral ............................................................. 38

2.5.2.3.1 Altura del Salto Aprovechable ............................................................ 382.5.2.3.2 Potencia del Salto de Agua ................................................................. 38

2.5.2.4 Rejillas ....................................................................................................... 39

2.5.2.5 Turbinas Francis ...................................................................................... 39

2.5.2.5.1 Componentes de la Turbina Francis .................................................. 40

2.5.2.6 Golpe de Ariete .......................................................................................... 45

2.5.2.6.1 Introduccin al Fenmeno .................................................................. 45

2.5.2.6.2 Golpe de Ariete en una Turbina Francis ............................................ 45


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2.5.2.7 Turbina Elegida ........................................................................................ 47

2.5.2.8 Regulacin de la Turbina ......................................................................... 48

2.5.2.8.1 Tipo de Regulador Escogido ............................................................... 49

2.5.2.8.2 Esquema de Funcionamiento de la Regulacin ................................ 50

2.5.2.9 Control de Nivel ........................................................................................ 51

2.5.3 Parte Elctrica .................................................................................................. 52

2.5.3.1 Generador Sncrono .................................................................................. 52

2.5.3.1.1 Caja de Bornes ..................................................................................... 54

2.5.3.1.2 Carcasa ................................................................................................. 54

2.5.3.1.3 Refrigeracin ....................................................................................... 55

2.5.3.1.4 Eje ........................................................................................................ 55

2.5.3.1.5 Generador ............................................................................................ 552.5.3.1.6 Regulacin de la Tensin ................................................................... 56

2.5.3.1.7 Acoplamiento Fijo ............................................................................... 60

2.5.3.2 Puente Gra .............................................................................................. 60

2.5.3.3 Linea I ....................................................................................................... 60

2.5.3.4 Transformadores de Potencia ................................................................... 61

2.5.3.4.1 Generalidades ...................................................................................... 61

2.5.3.4.2 Trabajos a Realizar .............................................................................. 612.5.3.4.3 Transformador Principal del Grupo ................................................... 62

2.5.3.5 Recinto de M.T .......................................................................................... 63

2.5.3.6 Descripcin General de la Instalacin de B.T ......................................... 64

2.5.3.6.1 Generalidades ...................................................................................... 64

2.5.3.6.2 Panel de la turbina .............................................................................. 652.5.3.6.3 Panel del generador ............................................................................ 66

2.5.3.6.4 Cuadro de acoplamiento ..................................................................... 70

2.5.3.6.4.1 Generalidades ................................................................................. 70

2.5.3.6.4.2 Punto de entrega de la energa ...................................................... 70

2.5.3.6.4.3 - Operaciones de puesta en paralelo ................................................. 702.5.3.6.4.4 Operaciones de la minicentral ....................................................... 71

2.5.3.6.5 Alimentacin Elctrica de los Servicios Auxiliares ............................ 71


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2.5.3.7 Descripcin General de la Instalacin de Interconexin, Medida yTransformacin en M.T .......................................................................... 73

2.5.3.7.1 Introduccin ......................................................................................... 73

2.5.3.7.2 Caractersticas de la Red de Alimentacin ......................................... 732.5.3.7.3 Caractersticas de la Aparamenta en M.T .......................................... 74

2.5.3.7.4 Caractersticas del Material Vario del C.T ......................................... 77

2.5.3.7.5 Medida de la Energa Elctrica ........................................................... 772.5.3.7.6 Puesta a Tierra ..................................................................................... 77

2.5.3.7.6.1 Tierra de Proteccin ....................................................................... 772.5.3.7.6.2 Tierra de Servicio ........................................................................... 78

2.5.3.7.6.3 - Tierra de Interiores ........................................................................ 78

2.5.3.7.7 Rels de Proteccin, Automatismos y Control .................................... 78

2.5.3.7.8 Conclusiones ........................................................................................ 79


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MEMORIA DE CLCULO


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3.1 Introduccin ............................................................................................................. 81

3.2 Aspectos a Tener en Cuenta en el Clculo Hidrulico ......................................... 81

3.2.1 Clculo del Salto Neto de la Instalacin .......................................................... 81

3.2.1.1 Clculo de las Prdidas en la Tubera Forzada ....................................... 83

3.2.1.2 Clculo de las Prdidas Secundarias ....................................................... 853.2.1.3 Clculo de las Prdidas en la Turbina ..................................................... 87

3.2.2 Clculo de la Potencia de la Turbina ............................................................... 88

3.2.2.1 Potencia Terica del Salto ........................................................................ 883.2.2.2 Potencia en el Eje del Generador ............................................................. 883.2.2.3 Potencia Elctrica Suministrada al Generador ....................................... 893.2.2.4 Nmero de Revoluciones por Minuto ...................................................... 89

3.3 Energa Elctrica en la Minicentral ....................................................................... 92

3.3.1 Instalacin de la Interconexin, Medida y Transformacin en M.T. ............ 93

3.3.1.1 Introduccin .............................................................................................. 94

3.3.1.2 Intensidad en Alta Tensin ....................................................................... 94

3.3.1.3 Intensidad en Baja Tensin ...................................................................... 953.3.1.4 Clculo de la Linea Subterrnea de Media Tensin ............................... 95

3.3.1.5 Clculo de las Corrientes de Cortocircuito .............................................. 96

3.3.1.5.1 Observaciones ...................................................................................... 963.3.1.5.2 Clculo de las Corrientes de Cortocircuito en la Banda de M.T ....... 96

3.3.1.5.3 - Clculo de las Corrientes de Cortocircuito en la Banda de B.T ........ 97

3.3.1.5.3.1 Corriente Mxima de Cortocircuito Ikmax en F1 ........................ 98

3.3.1.5.3.2 Impulso de la Corriente de Cortocircuito Ismax en F1 .............. 102

3.3.1.5.3.3 Corriente Alterna de Ruptura Iamax3pol en F1 ........................ 1033.3.1.5.3.4 Corriente Mxima de Cortocircuito Ikmax en F2 ...................... 1043.3.1.5.3.5 Impulso de la Corriente de Cortocircuito Ismax en F2 ............. 106

3.3.1.6 Dimensionado de las Celdas Ormazabal .............................................. 1073.3.1.6.1 Comprobacin por Densidad de Corriente ...................................... 107

3.3.1.6.2 Comprobacin por Solicitacin Electrodinmica ........................... 1083.3.1.6.3 - Comprobacin por Solicitacin Trmica ......................................... 108

3.3.1.7 Seleccin de las Protecciones de Alta y Baja tensin ............................ 108

3.3.1.8 Dimensionado de la Ventilacin del Centro de Transformacin ........ 1093.3.1.9 Clculo de la Instalacin de Red deTierras ......................................... 110

3.3.1.9.1 Investigacin de las Caractersticas del Terreno ............................ 110


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3.3.1.9.2 Determinacin de las Corrientes Mximas de Defecto a Tierra y del Tiempo Mximo Correspondiente a la Eliminacin del Defecto . 110

3.3.1.9.3 Clculo de la Resistencia del Sistema de Tierra .............................. 110

3.3.2 Instalacin en B.T........................................................................................... 119

3.3.2.1 Cable de Potencia y Protecciones en B.T .............................................. 119

3.3.2.1.1 Transformador a Cuadro General de Proteccin de la Minicentral 119

3.3.2.1.2 Cuadro de Proteccin del Grupo ....................................................... 120

3.3.2.1.3 Cuadro General de Proteccin a Cuadro de Servicios Auxiliares ... 1203.3.2.1.4 - Servicios Auxiliares ........................................................................... 121


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PLANOS


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4.1 Situacin ................................................................................................................. 125

4.2 Emplazamiento ...................................................................................................... 126

4.3 Cuadro de la Minicentral ...................................................................................... 127

4.4 Cuadro de Servicios Auxiliares de la Minicentral .............................................. 128

4.5 Esquema Unifilar ................................................................................................... 129

4.6 Aparellaje de M.T .................................................................................................. 130

4.7 Esquema Unifilar EPIA ........................................................................................ 131

4.8 Estacin Transformadora ..................................................................................... 132

4.9 Aparellaje Interior .................................................................................................133

4.10 Caseta de la Minicentral ..................................................................................... 134


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PRESUPUESTO


14/23714

5.1 Mediciones .............................................................................................................. 137

5.2 Precios Unitarios .................................................................................................... 147

5.3 Presupuesto General ............................................................................................. 158

5.4 Resumen del Presupuesto ..................................................................................... 171

5.5 Presupuesto Ejecucin Material .......................................................................... 173

5.6 Presupuesto Ejecucin por Contrata ................................................................... 175

5.7 Presupuesto Global de Licitacin ........................................................................ 177


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PLIEGO DE CONDICIONES


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6.1 Pliego de Condiciones Generales .......................................................................... 179

6.1.1 Condiciones Generales ........................................................................................ 180

6.1.2 Reglamentos y Normas ........................................................................................ 180

6.1.3 Materiales ............................................................................................................ 180

6.1.4 Ejecucin de las Obras ....................................................................................... 181

6.1.4.1 Comienzo ..................................................................................................... 1816.1.4.2 Plazo de Ejecucin ...................................................................................... 181

6.1.4.3 Libro de Ordenes ......................................................................................... 182

6.1.5 Interpretacin y Desarrollo del Proyecto ........................................................... 182

6.1.6 Obras Complementarias ...................................................................................... 183

6.1.7 Modificaciones ..................................................................................................... 183

6.1.8 Obra Defectuosa .................................................................................................. 183

6.1.9 Medios Auxiliares ................................................................................................ 184

6.1.10 Conservacin de las Obras ................................................................................ 184

6.1.11 Recepcin de las Obras ..................................................................................... 184

6.1.11.1 Recepcin Provisional ............................................................................... 184

6.1.11.2 Plazo de Garanta ...................................................................................... 1846.1.11.3 Recepcin Definitiva ................................................................................. 185

6.1.12 Contratacin de la Empresa .............................................................................. 185

6.1.12.1 Modo de Contratacin ............................................................................... 1856.1.12.2 Presentacin .............................................................................................. 185

6.1.12.3 Seleccin .................................................................................................... 185

6.1.13 Fianza ................................................................................................................ 185

6.2 Condiciones Econmicas ......................................................................................... 1866.2.1 Abono de la Obra ................................................................................................. 186

6.2.2 Precios .................................................................................................................. 186

6.2.3 Revisin de Precios .............................................................................................. 186

6.2.4 Penalizaciones ..................................................................................................... 187


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6.2.5 Contrato ............................................................................................................... 187

6.2.6 Responsabilidades ................................................................................................ 187

6.2.7 Rescisin de Contrato .......................................................................................... 188

6.2.7.1 Causas de Rescisin ..................................................................................... 188

6.2.8 Liquidacin en Caso de Rescisin del Contrato ................................................. 189

6.3 Condiciones Facultativas ......................................................................................... 189

6.3.1 Normas a Seguir .................................................................................................. 189

6.3.2 Personal ............................................................................................................... 190

6.3.3 Reconocimiento y Ensayos Previos .................................................................... 190

6.3.4 Ensayos................................................................................................................ 190

6.3.5 Aparellaje ............................................................................................................ 191

6.3.6 Motores y Generadores ....................................................................................... 192

6.3.7 Varios .................................................................................................................. 193

6.4 Condiciones Tcnicas Generales ........................................................................... 194

6.4.1 Equipos Elctricos ............................................................................................... 194

6.4.1.1 Generalidades .............................................................................................. 194

6.4.1.2 Cuadros Elctricos ...................................................................................... 198

6.4.1.3 Generadores Elctricos ............................................................................... 1996.4.1.4 Centros de Transformacin ........................................................................ 202

6.4.1.4.1 Generalidades ......................................................................................... 202

6.4.1.4.2 Interruptores Automticos y Seccionadores .......................................... 2036.4.1.4.3 Medida de Consumo ............................................................................... 203

6.4.1.4.4 Protecciones ........................................................................................... 204

6.4.1.4.5 Transformadores .................................................................................... 204

6.4.1.5 Instalaciones de Conexin de 25 kv ............................................................ 205

6.4.1.5.1 Datos Nominales ..................................................................................... 205

6.4.1.5.2 Prescripciones ......................................................................................... 205

6.4.1.5.3 Celdas de Conexin ................................................................................ 205

6.4.1.5.4 Carros de Conexin ................................................................................ 2066.4.1.5.5 Armario de Mando y Control ................................................................. 206

6.4.1.5.6 Mando ..................................................................................................... 207


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6.4.1.5.7 Calidad de los Contactos ........................................................................ 2076.4.1.5.8 Pruebas de Tensin ................................................................................ 207

6.4.1.5.9 Lista de Aparatos .................................................................................... 209

6.4.1.6 Alumbrado .................................................................................................... 209

6.4.1.6.1 Generalidades ......................................................................................... 209

6.4.1.6.2 Alumbrado Interior ................................................................................ 2096.4.1.6.3 Alumbrado Exterior ............................................................................... 210

6.4.1.6.4 Iluminacin de Seguridad ..................................................................... 211

6.4.1.7 Red de Puesta a Tierra ................................................................................ 211

6.4.1.8 Instalaciones de Acometidas ....................................................................... 212

6.4.1.9 Proteccin Contra Descargas Atmosfricas ............................................... 212

6.4.1.10 Lmparas Sealizacin ............................................................................. 213


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PLAN DE SEGURIDAD


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7.1 - Objeto del Plan de Seguridad y Salud .................................................................. 215

7.2 - Datos Generales de la Obra ................................................................................... 215

7.3 Anlisis de Riesgos. Medidas de Prevencin y Proteccin ................................. 217

7.3.1 Movimientos de Tierras .................................................................................. 2177.3.2 Tuberas y Accesorios ..................................................................................... 2207.3.3 Obras de Fbrica ............................................................................................ 222

7.3.4 Maquinara y Medios Auxiliares .................................................................... 223

7.3.4 Riesgos Elctricos ........................................................................................... 2317.3.5 Contaminantes Fsicos ................................................................................... 234

7.3.5.1 Ruido .......................................................................................................... 2347.3.5.2 Vibraciones ................................................................................................ 235

7.3.6 Medidas de Proteccin Colectiva de la Obra ................................................ 236

7.3.7 Instrucciones en Caso de Emergencia .......................................................... 237

7.4 Participacin de los Trabajadores ...................................................................... 238


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ANEJO I


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MEMORIA DESCRIPTIVA


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2.1.- Objeto del Proyecto

El objetivo de este proyecto, es el de aprovechar un salto de agua existente, constituido poruna presa y una tubera forzada ya construida, generando energa elctrica. Su finalidadser la de suministrar energa elctrica al pueblo de Rialp y la restante venderla a la red dela compaa.

2.2.- Situacin

El embalse se encuentra situado en el trmino municipal de Rialp (Lleida), a unos 1500metros aguas arriba de la localidad de Rialp, en una cuenca de importancia secundaria.

2.3.- Antecedentes

Anteriormente esta central hidrulica era utilizada para generar energa elctrica, pero lapresa del embalse no pudo resistir la riada de 1982, y quedo totalmente destruida,quedando la central inutilizada aunque la tubera forzada y la caseta de la central quedaronintactas. Posteriormente 1984 se redact el proyecto de las obras de la nueva presa que

sirvi de base a la subasta y que en fecha de 27 de Febrero de 1985 fueron adjudicadas a laempresa I.P.B. En el mes de Julio de 1986 se terminan las obras de la presa, si bien lainiciacin de la explotacin de la central no lleg nunca a acabarse a causa de la fuertebajada del precio del kw generado, momento en el cual dej de ser rentable.

El hecho de la realizacin de este proyecto, es debido a que despus de hacer un estudioeconmico sobre la rentabilidad del aprovechamiento del salto hidrulico, se creyoportuno hacer todos los trmites para que la Confederacin hidrogrfica del Ebroaprobara una nueva concesin de aguas al ayuntamiento de Rialp. La causa de larentabilidad de la central hidrulica es debido al fuerte aumento de la poblacin de Rialp, a

consecuencia del turismo que a generado la apertura de las estaciones de Portain y Super-Espot y que a supuesto la necesidad de realizar un aporte energtico en la zona.

En el B.O. de la provincia de Lleida de fecha 17 de Marzo de 1999, aparece publicada laresolucin de la Confederacin Hidrogrfica del Ebro sobre una concesin de aguas de1000 l/seg. del ro Noguera Pallaressa, con destino a un aprovechamiento hidroelctrico, ent.m. de Rialp, otorgado al excelentsimo ayuntamiento de Rialp.

En la condicin 3 de la citada resolucin se otorga un plazo de 8 meses para presentar unproyecto de construccin del citado aprovechamiento, el cual deber incluir un Estudio deSeguridad y Salud, y un diseo de la escala de peces.

Por dicho motivo se nos ha encargado la realizacin de dicho Proyecto.

2.3.1) Datos Tcnicos de la Presa

Presa.- La presa es del tipo de gravedad, construida en hormign armado mediantebarras de acero.


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La anchura en su base es de 4 m y en su coronacin es de 2 m.

La altura de la presa sobre cimientos es de 6 m.

La caracterstica principal de este tipo de presas se basa en que las acciones de vuelco ydeslizamiento sobre cimientos, debidas al empuje del agua, son vencidas por la estabilidady resistencia que presentan por la sola reaccin de su propio peso.

El perfil tiene una forma triangular o trapezoidal, de seccin maciza constante.

2.4- Descripcin General

En el proyecto concesional se indicaba que se trataba de la rehabilitacin de una antiguacentral, de la que se aprovechaba la cmara de carga y la tubera forzada, una vezconvenientemente reparadas.

La generacin de energa elctrica era muy sencilla, las aguas se desviaban, provenientes

de otra central hidroelctrica dotada de embalse y situada a unos 1200 m aguas arriba,mediante un canal de alimentacin, regulado por una compuerta, a la cmara de carga y deall a la turbina a travs de una tubera metlica de presin de 0,9 m de dimetro. Una vezturbinadas las aguas, se devolveran al ro a travs de un canal de desage.


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En nuestro caso vamos a mantener tan sencillo dispositivo pero con algunas correcciones:

1) Mantenemos el canal de alimentacin tal como se encuentra pero con un dispositivo demdulo, vertedero lateral que permite evacuar el caudal ecolgico, fijado en 110 l/seg. y ala vez consigo no superar nunca el nivel mximo en la cmara de carga.

2) Levantaremos los cajeros del canal una altura de 50cm. Mediante fbrica de ladrillo

macizo de 2 pies, revestido de mortero de cemento, este incremento de altura permitircircular con facilidad el caudal concesional.

3) Se incrementa tambin en 50 cm la altura de las paredes de la cmara de carga, con elmismo procedimiento constructivo, esto nos permitir ganar un pequeo aumento en elsalto bruto.

4) Se limpiar y se dragar el canal de alimentacin para facilitar el paso del caudalconcesional, 1m3/seg.

5) Se acondicionar la tubera forzada manteniendo el dimetro de 0,9 m, suficiente para

circular el caudal concesional.

La generacin de la energa elctrica se realizar mediante el aprovechamiento de un saltode agua de 15 m de altura neta el cual ser enviado mediante una tubera forzada a laturbina. La turbina Francis esta acoplada a un generador sncrono que gira a una velocidad1500 min-1. El generador esta acoplado, mediante una lnea de aislamiento 0,6/1 kv de 10metros de longitud a un transformador de relacin de transformacin 0,38/25 kv, que elevala tensin producida por el generador hasta la tensin de la red a la cual se ha de acoplar elsistema.

Se realizarn las obras necesarias de infraestructura, para la instalacin de la turbina,generador y transformador.

La parte elctrica estar formada por las protecciones del sistema, las puestas a tierranecesarias y las lneas de conexin, una de 0,38KV (generador-transformador) y otra de25KV (trafo-red).

Dispondremos de un autmata programable encargado del funcionamiento en automticode la central.

2.5 Prescripciones Tcnicas

2.5.1 Obra Civil, Construccin, Excavaciones y Movimientos deTierras.

En este apartado se describen todas las obras que deben realizarse, para crear lainfraestructura necesaria, que nos permita albergar la central hidroelctrica.

En nuestro caso en particular, no ser necesario hacer una descripcin de todas las obras deinfraestructura necesarias para la creacin de un central elctrica, ya que la mayora de estainfraestructura ya estaba creada. Las obras referidas a los siguientes elementos que ahora


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pasaremos a citarlos, quedarn excluidos del siguiente proyecto o dicho de otra manera, loselementos ya construidos son:

! Azud o presa.! Compuertas y rejas.! Accesos a la minicentral.! Edificio de la central.! Tubera forzada o tubera de presin.

Como hemos podido ver, las obras de infraestructura necesarias para la realizacin denuestro proyecto, se limitan a la realizacin de movimientos de tierras y como hemos dicho

anteriormente, a levantar los cajeros del canal y las paredes de la cmara de carga.

Movimientos de tierras

Los movimientos de tierras, en nuestro caso, quedarn divididos en dos partes:

1. Los necesarios para la habilitar el cauce que albergar el agua proveniente delvertedero lateral que nos garantiza la circulacin del caudal ecolgico, si as fueranecesario.

2. Los necesarios para habilitar toda la instalacin elctrica de la central elctrica y delcentro de transformacin.

Construcciones

Levantaremos los cajeros del canal una altura de 50cm. Mediante fbrica de ladrillomacizo de 2 pies, revestido de mortero de cemento, este incremento de altura permitircircular con facilidad el caudal concesional.

Se incrementa tambin en 50 cm la altura de las paredes de la cmara de carga, con elmismo procedimiento constructivo, esto nos permitir ganar un pequeo aumento en elsalto bruto.

2.5.1.2.- Descripciones de las Construcciones

2.5.1.2.1. Edificio de la Central.

El edificio de la central es el lugar donde instalaremos la turbina, el generador y en nuestrocaso en particular tambin se alojar en su interior el transformador de potencia. Tambinaqu se colocarn todas las protecciones del transformador, los cuadros de mando, las


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celdas de media tensin, los equipos de medida, control y proteccin, y es aqu donde serealizar el acoplamiento con la red.

El edificio de la central solo tiene una planta, esta es la causa principal por la que nosdecantamos por un grupo turbina-generador de eje horizontal.

La sala del grupo turbina- generador consiste en una habitacin, de 6m de alto y dedimensiones 7x6 m, en caso de necesidad de cambiar o reparar la turbina o ampliar lapotencia existe una obertura lo suficientemente grande como para que pase la turbina. Enesta habitacin, tambin se alojarn todos los equipos asociados al generador, a la parteelctrica, de medida y de mando de la minicentral. Tambin disponemos de un puentemvil, para trasladar con facilidad los equipos de peso. La siguiente foto muestra la sala enel momento de su ltima puesta en marcha en 1982.

Foto 1. Sala de mquinas


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Dentro del mismo edificio dispondremos de una habitacin que la destinaremos para alojarel transformador. Esta habitacin estar en una zona contigua a la sala de la turbina. Enesta sala se instalar un mallazo electrosoldado con redondos de dimetro de 4mmformando una retcula de 30x30 cm. Este mallazo despus se conectar a tierra. El accesoal transformador puede ser, o bien por el exterior o desde la sala del grupo turbina-generador. Las puertas de acceso quedarn cerradas bajo candado de esta manera se evitarla entrada en esta sala a personal ajeno al servicio. Estas puertas de acceso son abatibles y

se abren hacia el exterior del recinto. El acceso desde el exterior consta de una puerta de280 cm de ancho abatible sobre el muro exterior de la fachada destinado a la instalacindel trafo.

Esta sala, estar dotada de unas rejillas de ventilacin, dejando una separacin entre ellaslo suficientemente pequea para impedir el paso por ellas de pequeos animales quepuedan ser causa de accidentes o averas. Todas las partes metlicas de la sala estarnconectadas a tierra.

El edificio de la central tiene una altura de 6m y una dimensiones exteriores de 14,2x6 m.El acceso al edificio de la central se hace desde un camino que proviene del pueblo de

Rialp.

Foto 2.Edificio de la central


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El camino de acceso a la central, no se trata de un camino asfaltado, sino que es un caminode montaa, hecho expreso para al acceso a la central.

Foto 3.Camino de acceso a la minicentral

2.5.1.2.2. - Tubera Forzada.

La tubera que aprovechamos tiene un dimetro interior de 0,9m, suficiente paratransportar el caudal cedido por la Confederacin Hidrogrfica del Ebro.Esta tubera va desde la cota de 834m, donde esta situada la presa, hasta la cota de 818mdonde esta ubicado el edificio de la central.


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Foto 4. Detalle de la tubera forzada

La tubera forzada se acoplar a la turbina, pasando por la parte inferior de la pared deledificio de la central. En la foto que aportamos a continuacin cabe destacar la presenciade una derivacin que haba en la antigua central, en su tiempo se hizo para la posibleampliacin de potencia de la central, en nuestro caso mantendremos cerrada estaderivacin.


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Foto 5.Entrada de la tubera de presin

2.5.1.2.3. - Vertedero

Las aplicaciones de los vertederos son dos:

!

Control de nivel, por ejemplo, de un embalse: vertederos de presa;! Medicin de caudales: vertederos de medidaEn nuestro caso el vertedero lo colocaremos al final del canal de alimentacin, a la entradade la cmara de presin, con el fin de ceder al ro el caudal ecolgico estipulado y a la veznos servir para que en la cmara de carga nunca se supere el nivel mximo de agua, por lotanto estaremos realizando un control de nivel. A continuacin se adjunta una foto de unvertedero lateral en un canal de alimentacin, aunque el vertedero no este situado a laentrada de la cmara de carga nos puede servir como ejemplo clsico de un vertederolateral.


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Foto 6. Detalle de un vertedero lateral

2.5.2. - Parte Hidrulica.

Este apartado, cabe decir que es una parte fundamental a la hora del aprovechamiento delsalto de agua, de l depende que una central pueda llegar a ser rentable o no. Por esta razndebemos de intentar, siempre que sea tcnica y razonablemente posible, minimizar lasprdidas de carga en la tubera forzada y en el canal de alimentacin e intentar que el

rendimiento de la turbina y de todo el sistema sea el mximo posible.

2.5.2.1. Aspectos a Tener en Cuenta a la Hora de Hacer la Eleccin de la Turbina.

" Salto neto" Caudal" Potencia de la turbina"

Rendimiento de la turbina

" Velocidad especfica


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2.5.2.1.1. Altura Neta.

Es la altura de salto puesta a disposicin de la turbina. La denominada altura til se deducedel salto total, restando la altura debida a todas las perdidas de carga sufridas en todo elproceso. El salto total es la diferencia de cotas entre el inicio del salto y la zona de desage.

Consideraremos salto neto, como el que disponemos desde la cmara de presin hasta el

final del tubo de aspiracin. El salto til corresponde a un valor menor que el salto neto, yaque se obtiene restando de este todas las prdidas de carga que se originan en el camino.Dichas prdidas se deben a las turbulencias y rozamientos del agua en las entradas de lastuberas, paredes de todo tipo de conduccin, vlvulas, codos, ngulos, cambios de secciny orificios de salida, etc... .

A continuacin adjuntamos un dibujo para hacerlo, lo ms entendible posible:

h1 -- prdida debida al remanso. H -- Altura de salto totalh2 prdida en el canal H Altura de salto brutoh3 prdida en la cmara de presin H- Altura de salto netoh4 prdida en la tuberah5 prdida en la turbinah6 prdida en el tubo de aspiracinh7 prdida en el canal de desage


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De acuerdo con lo dicho, tendremos:

Altura neta:

H = H ( h1 + h2 + h3 + h7 ), pero en nuestro caso la prdida de carga debida al remanso(h1) no es de nuestra incumbencia, ya que es en la entrada del canal donde se nos hace laconcesin de aguas y por lo tanto contaremos las prdidas de carga a partir de aqu.

H = H ( h2 + h3 + h7 ) (1)

Altura de salto til

H = H ( h4 + h5 + h6 ) (2)

Cabe destacar la importancia de la altura neta, ya que, ms que ninguna otra caracterstica,es el que determina tanto la obra civil ( presa, canal de derivacin, conducto forzado,central ) cuanto el tipo de turbina, as como la velocidad del grupo y el tipo de alternador.

2.5.2.1.2. Caudal

El caudal es la cantidad de agua que llega a las turbinas de la central en el espacio de unsegundo, y viene expresado generalmente en metros cbicos por segundo.

Este caudal nos vendr regulado desde la toma de guarda de la central que nos abasteceaguas arriba, y nunca podr superar el caudal concesional de 0,95 m3/seg. El sistema deregulacin es competencia de la central, la cual nos suministra el agua, y en nuestro casosolo nos tendremos que ocupar de crear un mdulo lateral, vertedero, para mantener elcaudal ecolgico del ro.

Para la determinacin de la turbina actuaremos bajo la premisa de que disponemos de uncaudal constante en todas las pocas del ao.

2.5.2.1.3. Potencia de la turbina

La potencia de una turbina es la energa, correspondiente a 1 segundo, de velocidad que elagua puede adquirir en la turbina como consecuencia de la presin a que est sometida.

Llamando Q al caudal en m3/seg. del salto y H salto bruto o disponible, la potenciaterica ser;

Pt = 1000 x g x Q x H (3)

Considerando :

m = H/H (rendimiento de la turbina)


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La potencia en el eje del generador ser:

Pa = 1000 x g x Q x H x m (4)

Pa : Potencia til de la turbina o potencia de accionamiento

Pt : Potencia terica del salto.

2.5.2.1.4. Rendimiento de la turbina

Durante el funcionamiento de la turbina se producen prdidas de energa que determinan elrendimiento de ellas. En el caso de las turbinas podemos diferenciar 3 grupos de prdidas:

A. Prdidas hidrulicasB. Prdidas volumtricasC. Prdidas mecnicas

A.

Las prdidas hidrulicas tienen lugar: desde la seccin E de entrada hasta eldistribuidor; en el distribuidor Fink ( y antes en la caja espiral y en el llamadopredistribuidor ); entre el distribuidor y el rodete ( este espacio se llama entrehierroen las turbinas de reaccin; en el rodete y finalmente en el canal de desage.

B. Las prdidas volumtricas se dividen en prdidas exteriores y prdidas interiores;las prdidas exteriores constituyen una salpicadura de fluido al exterior, que seescapa por el juego entre la carcasa y el eje de la turbina, una manera de reducirlases utilizando la caja de empaquetadura, que se llena de estopa o de material decierre, provista de su correspondiente tapa o prensaestopas con pernos, quepermiten comprimiendo el prensaestopas contra el eje de la mquina mejorar el

cierre. Esta presin, sin embargo, no puede ser excesiva para no aumentar lasprdidas mecnicas.En las prdidas interiores el caudal qi sigue por el juego entre el rodete y la carcasa,en direccin del caudal principal, siempre que la presin a la entrada del rodete seamayor que a la salida del rodete, cosa que si ocurre en las todas las turbinas dereaccin. El caudal qi representa una prdida porque no cede energa al rodete, sinoque su energa se pierde por estrangulamiento en el exterior del rodete.

C. Las prdidas mecnicas incluyen las prdidas por:


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# Rozamiento del prensaestopas con el eje de la mquina;# Rozamiento del eje con los cojinetes;# Rozamiento del disco. Se llama as al rozamiento del disco con la

atmsfera de fluido que le rodea.

Dicho esto el rendimiento hidrulico ser:

h = H/H (5)

h rendimiento hidrulicoH-- Altura que el fluido le da al rodeteH Altura que el fluido le debera dar siempre y cuando no hubiera prdidas.

El rendimiento volumtrico ser:

v = ( Q qe qi ) / ( Q ) (6)

v rendimiento volumtrico Q caudal suministrado a la turbina.Q qe qi caudal til, o sea caudal que cede su energa en el rodete.

El rendimiento interno ser:

i = h x v (7)

i rendimiento interno

Sabiendo que el rendimiento mecnico es:

m = Pa / Pt (8)

Pa Potencia de accionamiento o potencia en el ejePt Potencia terica

Podemos decir finalmente que el rendimiento total ser:

t = m x v x h (9)

t rendimiento total

Como ya veremos en la memoria de clculo, las prdidas mecnicas y volumtricassern tan pequeas que las despreciaremos, y por lo tanto los rendimientos mecnicos yvolumtricos los aproximaremos a 1 siendo las nicas perdidas a tener en cuenta lashidrulicas.


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2.5.2.5. Velocidad Especfica

La velocidad especfica es el factor decisivo a la hora de hacer la eleccin de la turbina.Como ya sabemos, la naturaleza ofrece los saltos hidrulicos con potencias muy variadas yuna misma potencia con combinaciones mltiples de Q y H (salto neto). Por tanto, elrodete de las turbinas hidrulicas va cambiando insensiblemente de forma para adaptarse alas diferentes condiciones de servicio.

La clasificacin ms precisa de las turbinas hidrulicas es una clasificacin numrica, quese hace asignando a toda la familia de turbinas geomtricamente semejantes un nmero, asaber, el NMEROESPECFICO DE REVOLUCIONES ( velocidad especfica ).

ns = (n x Pa exp ) / (H exp 5/4) (10)

ns nmero de revoluciones

H altura neta

Pa potencia en el eje o potencia til

2.5.2.2 Tipo de Turbina

Actualmente existe la tendencia a construir turbinas cada vez ms econmicas, deexplotacin ms fcil y ms duraderas.

2.5.2.2.1 Tendencias Actuales en la Construccin de las Turbinas

Las tendencias actuales son pus las siguientes:

A. Aumento de la potencia unitariaB. Aumento de la potencia especficaC. Facilitacin de revisin y desmontaje de la turbinaD. Sustitucin de la fundicin por la construccin en chapaE. Sustitucin del roblonado por la soldadura

A. Este aumento, adems de reducir el coste por kw instalado, facilita la explotacin. Losproblemas surgen, en aumentar la capacidad de produccin y mecanizacin de piezasgrandes, a que pocos talleres pueden hacer frente y en segundo lugar poca flexibilidad(puentes gra suficientes en los talleres y en la central).

B. Potencia por unidad de peso o unidad de volumen.C. En casos de avera o de revisin ser una gran ventaja poder realizar estas operaciones

comodidad. Esto se traduce en una ventaja econmica.

D. Esta sustitucin se realiza para disminuir el peso de la mquina. En las carcasas lachapa se sustituye por la fundicin, con lo que nos ahorramos un 12 por 100 de peso yun 10 por 100 del coste total.


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E. Solo se realiza en las turbinas Francis y Kaplan.2.5.2.2.2 Eleccin de la Disposicin del Eje

Vamos a utilizar una turbina Francis de eje horizontal ya que fsicamente es imposiblecolocar una turbina de eje vertical ya que la sala de turbinas slo dispone de una planta.Por esta causa ya ni me planteo las ventajas que pudiera llegar a tener una disposicin

vertical.

2.5.2.3 Caractersticas de la Minicentral

2.5.2.3.1 Altura de Salto Aprovechable.

Como ya explicamos en el apartado 2.5.2.1.1 en las centrales elctricas no se aprovechatoda la altura de salto. A la altura de salto terica se le debe restar todas las prdidas decarga debidas a los rozamientos y obtendremos la altura de salto aprovechable de laminicentral. Las nicas prdidas que nosotros tendremos en cuenta para el clculo de la

altura sern las prdidas hidrulicas en la tubera forzada.

2.5.2.3.2 Potencia del Salto de Agua. Potencia Disponible en la Red. PotenciaSuministrada a los Consumidores.

Como ya expusimos en el apartado 2.5.2.1.3:

La potencia de una turbina es la energa, correspondiente a 1 segundo, de velocidad que elagua puede adquirir en la turbina como consecuencia de la presin a que est sometida.

Llamando Q al caudal en m3/seg. del salto y H salto bruto o disponible, la potencia terica

ser;Pt = 1000 x g x Q x H (11)

Considerando :

m = H/H (rendimiento de la turbina)

La potencia en el eje del generador ser:

Pa = 1000 x g x Q x H x m (12)

Pa : Potencia til de la turbina o potencia de accionamiento

Pt : Potencia terica del salto.

Cabe aadir que la potencia elctrica suministrada por el generador depender delrendimiento de este generador, que llamaremos g. Esta potencia ser, por lo tanto:

P = 1000 x g x Q x H x m x g (13)


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Para deducir la potencia elctrica que se puede suministrar a los consumidores se tiene quetener en cuenta, adems de lo expuesto, las prdidas elctricas en los transformadores de lacentral, en las lneas de transmisin de energa elctrica y en los trafos de las subestacionestransformadoras. Normalmente la energa que llega a los consumidores es un 70% de laenerga del salto.

2.5.2.4. Rejillas

La rejilla, influye de una forma decisiva en la vida til de la turbina, ya que sin ella estavida se vera reducida sustancialmente. La rejilla se colocar en la salida de la cmara decarga, o sea, en la entrada de la tubera forzada. La funcin de las rejillas es igual deimportante como simple su deduccin, simplemente consiste en evitar que pasen cuerposslidos a travs de la tubera forzada y que una vez en la turbina puedan daar la estructurade los labes hasta llegar a destruirlos por completo. La rejilla ser diseada y fabricadasegn los requerimientos y condiciones de montaje. Ser construida con pletinas de hierrode 60x10 mm, con una separacin entre las mismas de 60 mm, apoyadas en la parteinferior en un perfil en U de 120mm. Y en la parte superior en un perfil angular de 120mm.Para limpiar dicha reja se instalar un equipo de rastrillo automtico con su

correspondiente equipo hidrulico y elctrico.

Foto 7 : Detalle de la rejilla

2.5.2.5. Turbina Francis.

Son conocidas como turbinas de sobrepresin por ser variable la presin en las zonas delrodete, o de admisin total ya que este se encuentra sometido a la influencia directa delagua en toda su periferia. Tambin se conocen como turbinas de reaccin.

El campo de aplicacin es muy extenso. Pueden emplearse en saltos de distintas alturasdentro de una amplia gama de caudales ( entre 2 y 200 m3/seg aproximadamente).


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Las turbinas Francis se pueden clasificar en funcin de la velocidad especfica del rodete,cuyo nmero de revoluciones por minuto depende de las caractersticas del salto.

! Turbina Francis lenta. Para saltos de gran altura ( alrededor de 200m o ms)! Turbina Francis normal. Indicada en saltos de altura media (entre200 y 20 m)! Turbina Francis rpidas y extrarrpidas. Apropiadas a saltos de pequea altura (inferiores a 20m )Las turbinas Francis, son de rendimiento ptimo, pero solamente entre unos determinadosmrgenes (para 60% y 100% del caudal mximo ), siendo una de las razones por la que sedisponen varias unidades en cada central, al objeto de que ninguna trabaje individualmente,por debajo de valores del 60% de la carga total.

2.5.2.5.1. Componentes de la turbina Francis.

La relacin de componentes fundamentales, considerando como referencia, siempre que

sea factible, el sentido de circulacin del agua por la turbina, es el siguiente:

! Cmara espiral! Distribuidor! Rodete! Tubo de aspiracinY tambin, aunque no entremos en su descripcin

! Eje! Equipo de sellado del eje de turbina!

Cojinete gua de turbina! Cojinete de empuje

Cmara espiralEst constituida por la unin sucesiva de una serie de virolas tronco-cnicas, cuyos ejesrespectivos forman una espiral.. Desde el acoplamiento con la tubera forzada, donde eldimetro interior de la virola correspondiente alcanza su valor mximo, la seccin interior,circular en la mayora de casos, va decreciendo paulatinamente hasta la virola que realizael cierre de la cmara sobre s misma, cuyo dimetro interior se reduce considerablemente.Esta disposicin se conoce como el caracol de la turbina, en el que, debido a su diseo, seconsigue que el agua circule con velocidad aparentemente constante y sin formartorbellinos, evitndose prdidas de cargaTodo el conjunto ; construido con chapas de acero unidas, actualmente, mediantesoldadura; suele estar rgidamente sujeto en la obra de hormign de la central, por suszonas perifricas externas, consideradas como tales las alejadas del centro de la turbina.Antes de proceder al hormigonado exterior de la cmara, esta se somete a presin conagua, a fin de descubrir posibles fugas por las uniones.En la zona perifrica interna, totalmente concntrica con el eje de la turbina, y siguiendoplanos paralelos, perpendiculares a dicho eje, se encuentra una obertura circular, formandoun anillo, cuyos extremos estn enlazados perpendicularmente por una sucesin de palasfijas, situadas equidistantemente unas de otras, a lo largo del contorno de la circunferencia


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descrita por dicho anillo, a travs del cual, y por toda su periferia, fluira el agua, cubriendola totalidad de los orificios as formados. La zona mencionada, se suele denominarantedistribuidor.Dada la curvatura y orientacin de las palas fijas, se consigue que la proyeccin del aguasalga dirigida casi radialmente, hacia el centro del espacio cicular limitado por el anillomencionado.

Distribuidor

El distribuidor propiamente dicho, esta formado por un determinado nmero de palasmviles, cuyo conjunto constituye un anillo que est situado concntricamente y entre lasmismas cotas en altura que el antedistribuidor, descrito al exponer la cmara espiral, siendoen definitiva, camino continuado del agua en su recorrido hacia el centro de la turbina.

Su funcin es la de distribuir, y regular o cortar totalmente, el caudal de agua que fluyehacia el rodete.

Los elementos componentes ms destacados del distribuidor son:

" Palas directrices Son las palas mviles a las que anteriormente se haca referencia. Tambin se suelellamar labes directrices o directores. Cada una de ellas, al unsono con las dems, puede orientarse, dentro de ciertos lmites,al girar su eje respectivo, pasando de la posicin de cerrado total, cuando estn solapadasunas palas sobre otras, a la de mxima apertura que corresponde al desplazamientoextremo, tendiendo a quedar en direccin radial y manteniendo, entre s, una convergenciahacia el eje.

Detalle 1.Detalles de las posiciones, cerrado o abierto, de las palas directrices del distribuidor.


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Detalle 2.Configuracin de una pala directriz.

Se trata de un conjunto de dispositivos mecnicos, a base de servomecanismos, palancas ybielas, que constituyen el equipo de regulacin de la turbina, gobernado por el regulador develocidad.

ServomotoresLos servomotores se accionan por aceite a presin segn ordenes recibidas del regulador,desplaza una gran biela, en sentido inverso una respecto de la otra, a modo de brazos de unpar de fuerzas, proporcionando un movimiento de giro alternativo a un aro mvil, llamadoanillo de distribucin, concentrico con el eje de la turbina.

Detalle 3.Esquema de accionamiento del anillo de distribucin.

Anillo de distribucinCon sus movimientos, en sentido de apertura o cierre total o parcial, hace girar a todas ycada una de las palas directrices, por medio de palancas de unin entre ste y la partesuperior de cada uno de los ejes respectivos de aquellas. El giro conjunto y uniforme de laspalas directrices, permite variar la seccin de paso de agua a travs del distribuidor. Acontinuacin se adjunta un dibujo que puede resultar muy interesante a la hora de entendersu funcionamiento.


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Detalle 4.Accionamiento de las palas directrices con el anillo de distribucinPosicin de apertura

Detalle 5.Accionamiento de las palas directrices con el anillo de distribucinPosicin de cerrar

Rodete

Es la pieza fundamental donde se obtiene la energa mecnica deseada. Esta unido

rgidamente a la parte inferior del eje de la turbina, en situacin perfectamente concntricacon el distribuidor, ocupando el espacio circular que ste le delimita.Consta de un ncleo central, alrededor del cual se encuentra dispuesto un nmerodeterminado de palas de superficie alabeada, aproximadamente entre 12 y 21,equidistantemente repartidas y solidarias al mismo, formando pieza nica en bloque porfundicin o soldadura, es decir, sin uniones ni fijaciones accesorias. Las palas estn unidasentre si, por su parte externa inferior, mediante una llanta que hace cuerpo con las mismas.Unos anillos de acero, anillos intersticiales, colocados a presin sobre el ncleo y la llanta,perfectamente centrados, realizan el cierre hidrulico al girar muy prximos a los escudossuperior e inferior respectivamente.


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Los labes del rodete estn construidos de bronce o de aceros especialmente aleados, paraevitar corrosiones y cavitaciones. Su longitud y mayor o menor inclinacin, respecto al ejede la turbina, depende del caudal, de la altura del salto y, en consecuencia por diseo, de lavelocidad especfica.Experimentalmente, se ha establecido que el nmero de labes del rodete debe serdiferente al de labes directrices, ya que, en caso contrario, se produciran vibraciones alcoincidir en el espacio ambos conjuntos de labes. El nmero de labes del distribuidor

suele ser primo, respecto al de labes del rodete.

Tubera de aspiracin

Consiste en una conduccin, normalmente acodada, que une la turbina propiamente dichacon el canal de desage. Tiene como misin recuperar al mximo la energa cintica delagua a la salida del rodete o, dicho de otra forma, aprovechar el salto existente entre lasuperficie libre del agua y la salida del rodete.Dependiendo de las instalaciones, y en el lugar adecuado del desage de cada turbina, seencuentra instalado el dispositivo de obturacin, generalmente a base de vlvulas, a fin depoder llevar a efecto revisiones en el grupo. El cierre del conducto de desage por medio

de vlvulas, normalmente del tipo de compuerta o mariposa, es caracterstico de gruposque estn expuestos a una posible inundacin, por encontrarse a un nivel inferior respectoal del agua en el cauce de salida.

Tubos para turbinas de eje horizontal. Detalles:

Detalle 6 . Tubera de aspiracin


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Detalle7. Vlvula de aspiracin y codo

2.5.2.6. - Golpe de Ariete

2.5.2.6.1 - Introduccin al Fenmeno

Este fenmeno se produce en los conductos al cerrar o abrir una vlvula y al poner enmarcha o parar una mquina hidrulica, o tambin al disminuir bruscamente el caudal. Ennuestro caso ( minicentral hidrulica ) hay momentos que se ha de reducir bruscamente elcaudal suministrado a la turbina hidrulica acoplada al alternador, cuando se anula la cargadel alternador: en este caso la instalacin debe proyectarse de manera que no se produzcaun golpe de ariete excesivo. Si se cierra una vlvula rpidamente, en virtud del principio deconservacin de la energa, al disminuir la energa cintica, sta se va transformando en untrabajo de compresin del fluido que llena la tubera y en el trabajo necesario para dilatarsta ltima: se ha producido una sobrepresin, o un golpe de ariete positivo. Por elcontrario, al abrir rpidamente una vlvula se puede producir una depresin, o golpe deariete negativo.

2.5.2.6.2. - Golpe de Ariete en una Turbina Francis

La sobrepresin se produce al cerrar una vlvula, en nuestro caso al cerrar el distribuidorde la turbina:

" Esta en razn directa de la longitud de la tubera forzada: luego el golpe de ariete sepresentar ms en los saltos de grande y mediana altura, en que la tubera forzada tienemayor longitud;

" Est en razn inversa del tiempo de cierre.Si en la minicentral el alternador se quedase sin carga, el distribuidor Fink de la turbinapodra actuar de dos maneras, o bien, cerrndose lentamente, con lo cual la turbina se


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embalara, y esto provocara una seria avera mecnica; luego hay que evitarlo, o bien,cerrando el distribuidor rpidamente con lo que se producir el golpe de ariete.

Para solucionar este problema en las turbinas Francis se utilizan distintas soluciones:

" Orificio compensador" Chimenea de equilibrio ( esta es nuestra eleccin )El orificio compensador esencialmente es un orificio obturado con una vlvula que, cuandola turbina se queda sin carga, se abre automticamente. Al abrirse pone en comunicacindirectamente la cmara espiral con el canal de salida sin pasar por el rodete. De estamanera la turbina no se embala. A fin de que no se gaste mucho agua el distribuidor secierra, pero lentamente, evitndose as el golpe de ariete. La temporizacin de los dosmovimientos: lento el cierre del distribuidor y rpido la apertura del orificio compensadorse consigue en la regulacin automtica con un rel hidrulico.

La chimenea de equilibrio se ha de colocar lo ms cerca posible de la central. La onda

elstica de sobrepresin no se propaga en la tubera que une la chimenea de equilibrio conel embalse porque la onda se refleja en ella. Por tanto, la conduccin entre la chimenea y elembalse queda sujeta a mucha menos presin. Al mismo tiempo se reduce la longitud de latubera entre la turbina y la chimenea de equilibrio, con lo que el golpe de ariete quedaaminorado.

Detalle 8. Tubera de aspiracin


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2.5.2.7. - Turbina Elegida

Para la eleccin de la turbina nos hemos basado en la clasificacin de las turbinas segn sunmero especfico de revoluciones:

ns = (n x Pa exp 1/2 ) / (H exp 5/4) ; (14)

ns -- n r.p.m especfico

n -- n r.p.m de sincronismo ( la velocidad que quiero que se mueva el eje)

Pa -- Potencia en CV

H -- altura del salto

Despus de realizar los clculos hemos optado por elegir una turbina Francis normal.

Es una turbina Francis de cmara cerrada, de eje horizontal, con una velocidad especfica

de 192 r.p.m que para un salto neto de 16m y un caudal de 1000 l/seg. puede proporcionaruna potencia til de 111 kw. A continuacin se adjunta un dibujo de una turbina Francis,aunque sea de eje vertical, nos ayuda mucho a visualizar todas sus partes.

Detalle 9. Turbina


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2.5.2.8. - Regulacin de la Turbina

Como hemos dicho anteriormente la turbina francis, acciona el alternador en la minicentralhidrulica. Este grupo a de girar a velocidad constante, ya que la velocidad del grupo estrelacionada con la frecuencia de la corriente por la ecuacin de la velocidad:

n = (60 x f)/z (15)

f -- frecuencia (50Hz)

z -- nmero de pares de polos

y la frecuencia de la corriente debe ser constante ( Europa 50Hz ). As , por ejemplo, ungrupo cuyo alternador tenga 20 pares de polos deber girar a una velocidad de 150 r.p.m.

Ahora bien, en el movimiento de rotacin,

I = M = Mm Mr (16) -- aceleracin angular

M -- suma algebraica de los momentos que actan sobre el rotor del grupo

Mm -- momento motor o momento hidrulico

Mr -- momento resistente creciente con carga.

Segn lo visto:! Si M = 0, = 0 y n = cte

Mm = Mr ; el par motor es igual al par resistente;

! Si Mr ( carga del alternador ) disminuye sin variar, Mm, Mm > Mr, > 0, el grupose acelera. Para evitarlo hay que disminuir el par motor Mm, cerrando el distribuidor dela turbina.

! Si Mr ( carga del alternador ) aumenta, Mm < Mr, < 0, el grupo pierde velocidad,se decelera. Para evitarlo hay que aumentar Mm, abriendo el distribuidor de la turbina.

Por lo tanto, en nuestro caso regularemos la turbina cerrando o abriendo el distribuidorsiempre que disminuya o aumente la carga a fin de que el grupo gire a velocidad constante.El regulador que utilizaremos no consigue mantener una velocidad del gruporigurosamente constante. Es preciso admitir un error. Este error se denomina estatismo, ,y se define as;

= (nv - nm) / (n) (17)


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donde

nv -- velocidad mxima o velocidad de marcha en vaco

nm -- velocidad mnima o velocidad de marcha en carga mxima;

Velocidad media:

n = (nv + nm) / 2 (18)

En los reguladores de las turbinas normalmente < 0.04. En muchos esquemas elestatismo del regulador puede modificarse a voluntad. Cuando mayor es el estatismo elsistema es ms estable, pero la marcha del grupo es menos uniforme. La regulacin delestatismo es un compromiso entre ambos extremos.

2.5.2.8.1. -- Tipo de Regulador Escogido

En nuestro caso, hemos optado por utilizar una regulacin taquimtrica, cuyo cerebro es elregulador de Watt, el cual no es ms que un regulador de bolas como el querepresentaremos a continuacin. El eje del regulador se mueve en sincronismo con lamquina. Al girar el eje, la fuerza centrfuga hace subir las bolas y estando el manguito delregulador:

! En la posicin 1, la turbina tiene la carga y la velocidad nominal.! En la posicin 2, la velocidad de la turbina a aumentado, porque la carga a disminuido.! En la posicin 3, la velocidad de la turbina ha disminuido, porque la carga ha

aumentado.

Detalle 10.Regulador Watt


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2.5.2.9. -- Control de Nivel

Este equipo permite la indicacin de la medida del nivel en la cmara de carga realizadamediante sonda de presin hidroesttica.

Las caractersticas de la sonda son:

Seal de salida y consumo: 4-20 mA dos hilos, proporcional al rango de medida. Alimentacin al sensor: entre 8,2 y 30,8 Vcc. Filtrada y estabilizada en bornas del

sensor.

Linealidad: +-2%. Proteccin contra sobreintensidad (AT 30E) en tres etapas con tiempo de respuesta de

1seg.

Rango de presin disponible (P): de 0-0,1 a 0-0,2 bares. Equivalencia aproximada en altura (m.c.a.H): de 0-1 a 0-200m.c.a (H=P x 9,8). Linealidad


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2.5.3. - Parte Elctrica.

2.5.3.1. - Generador Sncrono

A. IntroduccinLa mquina sncrona es un convertidor de energa basado en los fenmenos de induccinelectromagntica.

MaquinaMaquina sncronasncrona

Alternador

Enega mecnica Campos magnticos Enega elctrica

Se caracteriza por:

Velocidad del rotor es prcticamente igual a la velocidad del campo y como ya sabemos:

n = n1 = ( 60 x f )/( p ) [min-1] (19)

n -- velocidad del rotorn1 -- velocidad del campof -- frecuencia ( 50 hz )p -- pares de polos

Por tanto al ser la f=50hz, la velocidad del rotor viene fijada por el nmero de pares depolos que tenga la mquina.


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2.5.3.1.1 - Caja de Bornes

El generador sncrono ha de ir provisto de bornes de conexin que, generalmente, seubican en una caja de bornes situado en un costado de la carcasa. Los bornes,

convenientemente aislados atraviesan la carcasa. La caja de bornes, por otra parte seprotege con una tapa para evitar contacto voluntarios o accidentales con los bornes deconexin. El sistema de caja de bornes empleado es un sistema perteneciente a la firmaACEC, y es el empleado para generadores sncronos.

2.5.3.1.2 - Carcasa

La carcasa est provista de cuatro nervios interiores en forma de T invertida. De estaforma, se facilitar la refrigeracin de la carcasa, pues el aire refrigerante es conducido enforma mixta longitudinal radial. Desde el punto de vista de resistencia mecnico, estas

mquinas necesitan un marco de fundicin especial de acero laminado y soldado. Par eltransporte del alternador dentro del taller de fabricacin y tambin en el lugar definitivo delemplazamiento, deben preverse cncamos u ojales de suspensin para suspender lamquina de las gras u otros aparatos de elevacin. En las proximidades de estoscncamos, las carcasas se refuerzan por medio de nervios. No obstante se adopta ladisposicin de dos cncamos de suspensin superior.

Foto 8. Generador.

Caja debornes

Carcasa


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2.5.3.1.3 - Refrigeracin

Introduccin

La refrigeracin del alternador puede ser 2 tipos:

!Natural (aire)!Forzada

Las mquinas elctricas por dentro tienen canales de ventilacin. A medida que aumenta eltamao de la mquina se complica el hecho del refrigerado, ya que el foco de calorproveniente de las perdidas es mayor.

La refrigeracin forzada se basa en la utilizacin del hidrgeno. El hidrgeno envuelve elrotor. El hidrgeno tiene una capacidad calorfica 14 veces mejor que el aire y su densidades 14 veces menor que la del aire, lo cul implica, que las prdidas por rozamiento sonmucho menores y adems evacua mucho mejor el calor. Comparndolo con el aire,podemos afirmar, que los aislantes sufren ms con el aire, ya que tiene oxigeno y lo oxida,el hidrogeno por lo tanto alarga la vida de los aislantes. El problema principal delhidrgeno, es el precio y peligro que conlleva trabajar con este ltimo ya que si existenfugas y este se mezclara con el aire podra provocar una explosin.

Caso particular

La ventilacin del alternador se realizar mediante un circuito abierto por lo tanto laventilacin del alternador se realizar tomando aire fresco del exterior, en nuestro caso dela sala del grupo turbina-alternador, mediante unas ranuras realizadas en la carcasa, deforma que no sea hermtica. Adoptamos esta solucin, ya que como hemos dichoanteriormente, el foco de calor proveniente de las perdidas, aumenta a medida que aumentael tamao de la mquina, y como nuestro alternador es de pequea potencia tendremossuficiente con el volumen de aire contenido en la sala del grupo, para refrigerar elalternador.

2.5.3.1.4 - Eje

El eje del alternador ser de disposicin horizontal, ya que depende totalmente de ladisposicin del eje de la turbina.

2.5.3.1.5 - Generador

Utilizaremos un alternador sncrono, trifsico, de eje horizontal, con polos salientes, sinescobillas y genera a 380 V que estar acoplado a la turbina y ser el encargado deconvertir la energa mecnica, en energa elctrica. Estar ventilado por aire en circuitoabierto con expulsin de aire caliente al exterior, en nuestro caso particular la expulsin serealizar en la misma sala del grupo turbina-alternador.


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El alternador funcionar con el punto neutro puesto a tierra a travs de un transformador depotencia.

El funcionamiento de la central ser siempre en paralelo con la red elctrica no pudiendohacerlo en red aislada.

2.5.3.1.6 - Excitacin del Alternador

Introduccin

Una mquina sncrona necesita de c.c en el circuito inductor. La excitacin de losalternadores se realiza por medio de corriente continua, la cul recorre el circuito de lasbobinas inductoras del rotor. La corriente de excitacin Iex es la que crea el campo.

Sus caractersticas principales sn:

Tensin.........................................380 +- 7% ( 353 - 407 V ) Nmero de fases...................................................................3 Frecuencia.....................................................................50 Hz Velocidad..............................................................1000 min-1 Velocidad de embalamiento..................................1700 min-1 Potencia aparente......................................................120 KVA Factor de potencia ............................................................. 1 Aislamiento ................................................................. clase F Calentamiento ............................................................. clase B Proteccin ...................................................................... IP-23 Refrigeracin ................................................................. IC-01 Conexin ..................................................................... estrella


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Las mquinas de corriente continua, como fuentes de alimentacin para la excitacin de losalternadores, van disminuyendo cada da con importancia. La rectificacin por medio delcolector ha sido sustituida por semiconductores. Del mismo modo los reguladoreselectromecnicos se van sustituyendo por reguladores electrnicos. Sin embargo todava es

viable el uso de excitatrices de corriente continua con reguladores de sectores rodantes parapequeos generadores.El sistema de excitacin consta de los aparatos y mquinas cuyo objeto es suministrar laenerga necesaria para excitar el alternador. El sistema de excitacin no debe nicamentesuministrar una potencia fija, sino que debe suministrar la potencia que convenga ymodificarla tan rpidamente como sea posible, es decir poseer una gran velocidad derespuesta. El sistema de excitacin tiene dos misiones fundamentales;

$ Mantenimiento de tensin en el entrehierro$ Mantenimiento de tensin en los bornes del alternador.

La tensin de excitacin generalmente utilizada, es de 100 a 125 V en las centrales depequea y mediana potencia, y de 250 V en las centrales de gran potencia.

Parmetros bsicos de un sistema de excitacin

Las caractersticas de los sistemas de excitacin se especifican fundamentalmente con ayudade dos parmetros:

La tensin mxima de la excitatriz (techo de tensin) Velocidad de excitacinEl techo de tensin de las excitaciones de los generadores suele ser muy a menudo de un

40% a un 80% superior a la tensin nominal de excitacin elegida.

Para determinar la velocidad de excitacin se procede de la manera siguiente:Se hace girar el alternador en vaco, y se regula la tensin de la excitatriz hasta que elgenerador suministre la tensin nominal. A continuacin se cortocircuita el reostato de campode la excitatriz y se mide como va variando la tensin en bornes del alternador en vaco con eltiempo. Estos valores se llevan sobre la grfica que adjuntamos a continuacin. Se sustituye lacurva u=f(t) por una recta AC tal que intersecte con la curva u=f(t), para el intervalo detiempo comprendido entre t=0 y t=0,5 s, punto D, la misma rea por encima y por debajo deella. La pendiente de esta curva, tg , representa la velocidad de excitacin.

Vf=tgVf= (AB) / (AD)= (AB)/0,5; Vf=2Xab (20)


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Grfico 1. Caracterstica de un alternador

Caracterstica u=f(t) de un alternador cuando girando en vaco se cortocircuita el reostato decampo de la excitatriz

Referida a la tensin de excitacin nominal, la velocidad de crecimiento de la tensin debeser, para grandes mquinas, por lo menos de 0,5, es decir, que con una tensin nominal OA de100 V, la velocidad de crecimiento de la tensin debe alcanzar por lo menos 50 V/s.

Sistema de excitacin adoptado

El uso de mquinas de corriente continua como excitatrices presenta serios inconvenientescuando se trata de alimentar alternadores de mediana potencia y mediana velocidad, debidoprincipalmente a la presencia del colector de delgas y a la fiabilidad relativamente baja delsistema. En nuestro caso hemos adoptado un sistema de excitacin con diodosrectificadores con lo cul podremos hacer frente ha estos inconvenientes ya quesustituimos la dinamo por un alternador de inducido mvil y un puente rectificadormontado sobre el propio rotor, con lo que se elimina el contacto mvil anillos escobillas( excitacin sin escobillas).Las ventajas de este sistema de excitacin frente al sistema convencional, utilizando

generadores de corriente continua, son las siguientes:

! La supresin del colector de delgas reduce considerablemente el mantenimiento.! El sistema no requiere apenas mantenimiento, solo tendremos que tener en cuenta el

adecuado flujo del aceite, comprovacin de las temperaturas, inspeccin visual de losfusibles y de, tanto en tanto, la medicin de la resistencia a tierra del aislamiento.

! No existe el problema del polvo carbn, ya que no se emplean escobillas de ningunaclase. De esta forma, puede prolongarse el tiempo necesario para las limpiezasperidicas, y tambin, disminuye la posibilidad de que baje la resistencia delaislamiento.


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! No existe contaminacin atmosfrica ya que todos sus componentes van encerradoshermticamente.

! Disminucin de los costes de mantenimiento: Evitamos la peridica reposicin de lasescobillas y las operaciones de limpieza y conservacin del colector de delgas y losanillos rozantes.

En el sistema de excitacin adoptado. La salida de corriente alterna de la excitatriz se

convierte en corriente continua por medio de rectificadores montados en el eje y quealimentan directamente al rotor del alternador sin necesidad de anillos rozantes.

2.5.3.1.6 - Regulacin de la Tensin

Introduccin

En las centrales elctricas estamos sometidos a continuas variaciones de carga, porconsiguiente necesitamos una regulacin continua de la excitacin.

La misin de la regulacin en las centrales consiste en:

A. Mantener la tensin de la red elctrica dentro de los mrgenes de variacinpermitidos independientemente del nivel de carga.

B. Regular la potencia reactiva, en el caso de que dispusieramos de ms de ungenerador, de modo que esta se reparta de modo adecuado entre los diferentesgeneradores de la central.

C. Mantener el sincronismo del alternador con la red y de modo especial en el caso decortocircuito.

Todas estas funciones se realizan mediante el control del sistema de excitacin de losalternadores.

Caractersticas que deben tener los reguladores de tensin para generador sincrono

A. Rapidez de respuesta. Ha de intervenir rpidamente despus de una variacin decarga, para evitar que la tensin caiga rpidamente

B. Exactitud. Para llevar exactamente la tensin al valor de rgimen de trabajo,despus de una perturbacin.

C. Sensibilidad. Para reaccionar a las perturbaciones dbiles.D. Amortiguacin eficaz. Para evitar la produccin de oscilaciones.

Tipos

Desde el punto de vista constructivo existen 2 tipos bsicos:

A. Reguladores electromecnicosB. Reguladores electrnicos

El regulador electromecnico se emplean para la excitacin de tipo rotativa, es decir,mediante generadores de c.c. El regulador electrnico se emplea para la excitacin esttica


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Regulador adoptado

Adoptaremos un regulador de tensin con un dispositivo de regulacin por tiristores conlimitadores adicionales.

Los limitadores de corriente estatrica y de ngulo de carga actan directamente y enparalelo sobre el regulador de tensin, lo que tiene por efecto aumentar la corriente deexcitacin cuando el generador trabaja en rgimen subexcitado. Estos limitadores son deactuacin inmediata para evitar que el alternador se salga del sincronismo.

Los limitadores de las corrientes estatrica y rotrica actan sobre el regulador de tensincon retardo y tienen por efecto disminuir la corriente de excitacin cuando el generadortrabaja en rgimen sobreexcitado. En ellos, la misin del retardo de las corrientes rotrica yestatrica es permitir posibles sobreexcitaciones transitorias, como en el caso decortocircuitos trifsicos en la red, en los que el regulador debe aumentar la intensidad deexcitacin para reforzar el acoplamiento del alternador a la red. Sin embargo, los

limitadores de corriente deben actuar para proteger los devanados de la mquina en el casode que el cortocircuito no sea eliminado dentro del tiempo prefijado.

2.5.3.1.7 - Acoplamiento Fijo

La funcin del acoplamiento es unir el eje de la turbina y el eje del alternador. La razn delporque adoptamos un acoplamiento fijo es por su menor peso, mayor simplicidad. Ademsresulta vlido siempre que las mquinas a acoplar estn soportadas sobre cojinetes dedeslizamiento.

2.5.3.2- Puente gra

Para obtener mayor operatividad en la minicentral se instalar un puente gra concapacidad suficiente para maniobrar los elementos que se instalen en la central.

Deber estar provisto de limitadores de recorrido, tanto en el sentido de traslacin, comoen el de elevacin, y constar en trminos visibles de la altura disponible de elevacin ypeso mximo que puede ser izado.

Los apoyos del puente debern ser tales que, transportando ste la pieza ms pesada de lacentral y en las condiciones ms desfavorables de funcionamiento de los mecanismos deelevacin y de traslacin, no se originen vibraciones que puedan comprometer la marchanormal de los grupos.

El puente gra estar situado a 5 m de altura, esta capacidad de operacin permite lainstalacin y desalojo de los elementos pesados, turbina alternador.

2.5.3.3. - Lnea I

Se trata de una lnea de enlace, que conecta el generador con el transformador, pasandopor el cuadro de proteccin del generador y seguidamente por el cuadro general de la


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minicentral. Por esta lnea cederemos la energa a la red, generada en la minicentral. Estalnea tiene una longitud de 10 m y una seccin de 3 (1 x 240) + 1x240 AL

2.5.3.4. - Transformadores de Potencia

2.5.3.4.1. - Generalidades

Existir un transformador para la conexin del generador a la red.

Formar parte del suministro, adems de los propios transformadores, la carga, transporte,seguro y descarga (incluso medios auxiliares) desde el camin de los transformadores, ascomo el traslado hasta el lugar definitivo y la colocacin sobre los carriles dispuestos en lasala para el transformador de generacin .

Asimismo se incluye:

A. El suministro y conexionado de los cables y barras de media y baja tensin.B.

El conexionado de los elementos de proteccin del transformador , as como lapuesta a tierra.

El suministrador deber aportar los soportes para los cables de media y baja tensin yterminales. Estos soportes estarn formados por una celosa de ngulo de 50mm de ladofijada al suelo del recinto del transformador. Los soportes del cable tendrn tambin, en laparte superior, los elementos adecuados para fijar los aisladores de porcelana. Entre losbornes del transformador y los aisladores que apoyan en la celosa se colocar una uninde tubo de tubo de cobre de 40 mm de dimetro, 5mm de pared. Sobre este tubo de cobre ymediante las piezas de unin adecuadas se realizarn las conexiones entre los terminalesdel cable y los bornes de los transformadores.

El suministrador deber aportar los medios necesarios para la correcta realizacin de lostrabajos antes indicados. Tambin se debern prever los elementos necesarios para elanclaje de los transformadores a las vas dispuestas sobre el pavimento a fin de asegurar lainmovilizacin de los mismos.

2.5.3.4.2. - Trabajos a Realizar

Transformador de potencia:

1. Suministro, carga, transporte y descarga desde el camin.2. Traslado al emplazamiento definitivo.3. Nivelacin y fijacin sobre las guas existentes.4. Suministro y montaje de soportes para los cables de 25 Kv.


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2.5.3.4.3. - Sistema de Refrigeracin del Transformador de Potencia

Introduccin

Los sistemas de refrigeracin del transformador pueden ser de diversos tipos:

A.NaturalB. ForzadaA El fluido refrigerante se mueve de una forma naturalB Estamos forzando el movimiento.

Dentro de cada tipo la refrigeracin a la vez puede ser en:

1. En seco2.

En bao

1 El medio refrigerante es el aire2 El medio refrigerante es el aceite ( se utiliza en la mayora de casos.)Sistema de refrigeracin adoptado

Hemos adoptado un sistema de refrigeracin natural en bao principalmente debido a queel aceite tiene una doble misin, de refrigerante y aislante, ya que posee una capacidadtrmica y una rigidez dielctrica superior a la del aire. El problema sale cuando el aceite secalienta este se dilata y la cuba esta sellada para que aguante las dilataciones. Si dejramos

la cuba abierta para evitar explosiones el aceite sufrira un proceso de envejecimiento porpolimeracin, lo cual provocara perdidas de propiedades de refrigeracin y de aislamiento,por efecto del aire, humedad, etc... Por lo tanto, se debe dejar abierto para que no explotepero con la mnima superficie y colocaremos un depsito de expansin gracias al cualreduces al mnimo el problema del envejecimiento.

Para evitar la humedad ponemos adems un desecador de silicagel gracias al cualreduciremos el envejecimiento

2.5.3.4.3. - Transformador Principal del Grupo

Las caractersticas de este transformador ser:

Transformador trifsico, en bao de aceite, refrigeracin natural.

Potencia: 120 kva

Relacin: 25000/380 V

Servicio: continuo


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Refrigeracin: natural por aceite

Conexin: Dyn 11

Tomas: +-2,5% +-5% +-7%

Instalacin: interior

Frecuencia: 50Hz

Equipado con depsito de expansin con indicador de nivel mximo y mnimo concontactos, desecador de aire con carga de silicagel, rel de Buchhoz, termmetro de esferacon dos contactos ajustables, caja de bornes, elementos de elevacin, arrastre, desencubadoy fijacin para el transporte, ruedas orientables en las dos direcciones principales y placade caractersticas de acero inoxidable.

2.5.3.5. - Recinto de M.T.

El recinto de M.T. estar ubicado en una sala anexa a la sala de mquinas y diferenciada dela misma.

Dispondr de dos entradas en su parte frontal, una de doble hoja y una para personal. Laspuertas se abrirn hacia el exterior.

En cumplimiento de la normativa vigente, se dispondr de un pasillo de servicio frente alas celdas de 1,5 m como mnimo.

Dispondr de iluminacin independiente formada por dos puntos de luz a base d

PROYECTO MINICENTRAL

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