INTERPRETAR EL DIAGRAMA UNIFILAR GENERAL DE UNA PLANTA INDUSTRIAL

1. ¿QUÉ ES UN DIAGRAMA UNIFILAR GENERAL?
2. PLANO DE SIMBOLOGÍA
3. REPRESANTACIÓN DE LOS EQUIPOS ELÉCTRICOS EN LOS UNIFILARES
  3.1. Representación de Conductores
  3.2. Representación de Interruptores
  3.3. Representación de Seccionadores
  3.4. Representación de Otros Equipos Eléctricos
4. ALGUNOS CONCEPTOS BÁSICOS
  4.1. Diferencias entre un Interruptores un Seccionador y un Contactor
  4.2. Interruptores
  4.3. Salida tipo Feeder o Control
  4.4. Control Local y Remoto
  4.5. Control Automático Manual
  4.6. Elementos de Protección
  4.7. Elementos de Medida
5. PARTES PRINCIPALES DE UN DIAGRAMA UNIFILAR GENERAL
  5.1. Conexión con la Red
  5.2. Subestación
  5.3. Transformador Principal
  5.4. Edificio Eléctrico
  5.5. Cabinas de Medida
  5.6. Transformador de Baja Tensión
  5.7. Cuadro de Distribución de Baja Tensión
  5.8. CCM
  5.9. Sistema de Esenciales
  5.10. Sistema de Tensión segura
    5.10.1. Sistema de Corriente Continua
    5.10.2. Sistema de Alimentación Ininterrumpida (SAI)
6. ALIMENTACIÓNES REDUNDANTES

1. ¿QUÉ ES UN DIAGRAMA UNIFILAR GENERAL?

“El Diagrama Unifilar General de una Planta Industrial”, es un documento que representa gráficamente las partes más relevantes del sistema eléctrico, dentro de una planta industrial.

Este documento es alcance del departamento eléctrico, sin embargo es imprescindible que cualquier ingeniero de instrumentación y control, sepa interpretarlo adecuadamente para poder realizar correctamente su trabajo.

En este tipo de plano, todos los conductores de cada circuito (haya 2, 3 o más conductores), se representarán con una sola línea y por eso recibe el nombre de plano unifilar.

Como norma general los unifilares, se dibujan siguiendo el sentido de la energía de arriba hacia abajo. Por arriba los puntos de interconexión con la red y por abajo los consumidores finales.

2. PLANO DE SIMBOLOGÍA

Al igual que la mayoría de planos de ingeniería, los esquemas unifilares deben de contar con un plano general de simbología que facilite la tarea de reconocer cada uno de los elementos representados.

Aunque resulte sencillo encontrar en internet normativa de como representar toda la aparamenta eléctrica (como por ejemplo la norma UNE 60617), lo cierto es que cada proyecto tiene sus peculiaridades, por lo que siempre es conveniente empezar ojeando la simbología utilizada en cada caso.

3. REPRESANTACIÓN DE LOS EQUIPOS ELÉCTRICOS EN LOS UNIFILARES

A continuación se muestran algunos ejemplos de representación de equipos eléctricos en unifilares.

3.1. Representación de Conductores

3.2. Representación de Interruptores

3.3. Representación de Seccionadores

3.4. Representación de Otros Equipos Eléctricos

4. ALGUNOS CONCEPTOS BÁSICOS

4.1. Diferencias entre un Interruptores un Seccionador y un Contactor

Interruptor: Es un equipo electromecánico capaz de establecer o interrumpir el paso de corriente.

Su función principal es de protección, aunque muchas veces puede cumplir también una función de control (energizando y desenergizando los sistemas eléctricos)

Seccionador: Es un equipo electromecánico capaz de mantener aislada eléctricamente una instalación según las especificaciones, y señalizar adecuadamente su estado.

Su función principal es de seguridad de las personas y equipos.

Nota: Normalmente, un seccionador no está diseñado para interrumpir el paso de la corriente en carga.

Interruptor-seccionador: Es un equipo electromecánico con las ventajas de un interruptor y de un seccionador.

Capaz de establecer o interrumpir el paso de corriente y capaz de mantener aislada eléctricamente una instalación según las especificaciones señalizando adecuadamente su estado.

Contactor: Es un equipo electromecánico capaz de establecer o interrumpir el paso de corriente. 

Su función principal es de control (energizando y desenergizando los sistemas eléctricos). 

Normalmente, estos equipos están diseñados para soportar un gran número de maniobras.

Como se muestra en el siguiente dibujo, es muy común que antes de un contactor se instale un interruptor para poder proteger el equipo.

Nota: En algunas ocasiones no se instala contactor y se usa directamente el interruptor para controlar, enviando las ordenes de apertura y cierre directamente al interruptor. Por ejemplo, es muy común que en los cuadros de distribución, aunque requiera que estén controlados desde algún sistema de control, como el número de maniobras que suelen realizar estos equipos es muy bajo, no se suelen instalar contactores.

4.2. Interruptores

En una planta industrial, los interruptores pueden ser de muy distintos tipos. Se pueden encontrar desde interruptores muy sencillos como los que se utilizan para el alumbrado, a otros interruptores mucho más complejos mecánicamente como podría ser el interruptor de acometida principal de la planta. Hay interruptores monofásicos, trifásicos, presurizados con aire, presurizados con gas SF6, aceite o vacío, etc; sus características dependerán de su nivel de tensión, antigüedad o tecnología utilizada.

Principalmente los interruptores y contactores tienen dos posiciones, abiertos o cerrados.

Abiertos (interrumpen el paso de la energía eléctrica)

Cerrados (permiten el paso de la energía eléctrica)

Aunque resulte una obviedad, cuando aguas arriba de un interruptor hay tensión, al cerrar el interruptor, la electricidad se transmite a los equipos que se encuentren aguas abajo.

Nota: No obstante que el interruptor de acometida esté abierto no es signo inequívoco de que no haya presencia de tensión aguas abajo. A veces se diseñan caminos secundarios para alimentar de forma redundante y/o equipos capaces de generar o acumular energía. El no tener en cuenta esta consideración le ha costado la vida a unas cuantas personas. De aquí la importancia de seguir siempre las 5 reglas de oro:

Para la puesta a tierra de la instalación durante tareas de mantenimiento es muy común usar seccionadores de puesta tierra.

En el siguiente ejemplo, vemos el unifilar de una subestación eléctrica.

Costa de dos seccionadores de puesta tierra y un interruptor en el medio.

Si se necesitase realizar actividades de mantenimiento en el interruptor (se aplicarían las 5 reglas de oro), tras haber cortado la tensión aguas arriba, se cerrarán los seccionadores de puesta a tierra, para asegurar una mayor protección.

Al cerrar los seccionadores, cualquier fuga eléctrica que provenga de cualquier lado del interruptor, se derivaría hacia tierra.

Además de abierto o cerrado, algunos interruptores pueden tener otros estados, como por ejemplo modo extraído o modo test.

Cuando un interruptor esté extraído, el interruptor además de quedar abierto, no podrá ser accionado para cerrar el circuito hasta que no sea manualmente insertado de nuevo.

Se utilizan las flechas para representar en el unifilar que el interruptor es extraíble.

Los interruptores extraíbles, suelen tener también un modo test, el modo test es una posición intermedia entre extraído e insertado que aunque no permite cerrar el interruptor, si que permite realizar pruebas para comprobar que los comandos de control y los accionamientos están bien.

Nota: A veces, es necesario enclavar entre si algún equipo eléctrico, haciendo que la situación de un equipo afecto al control de otro. Para representar que un interruptor es enclavado con otro interruptor se suelen unir ambos con una línea discontinua. En el siguiente ejemplo vemos dos interruptores enclavados.

Por ejemplo, este enclavamiento podría indicar, que para poder cerrar o abrir uno de los interruptores de acometida, dependemos del estado del otro interruptor. Si por ejemplo un interruptor está cerrado el otro no podría cerrarse. Para ver esto en detalle, se tendrían que utilizar la documentación del cuadro en cuestión.

4.3. Salida tipo Feeder o Control

Según el tipo de carga que alimenten, hay salidas (interruptores o contactores) para cargas tipo “feeder” o para“control”.

Una carga tipo feeder, es un equipo que podemos dejar energizado indefinidamente, porque el propio equipo gestiona cuando tiene que funcionar o no.

Por ejemplo, un ordenador de sobremesa es un equipo tipo feeder, lo enchufamos, una vez y lo dejamos enchufado. En el propio equipo tenemos un botón para encenderlo y apagarlo, no hay que estar enchufándolo y desenchufándolo. En las plantas industriales hay mucho equipos que siguen esta filosofía, como por ejemplo, el compresor de aire, los equipos de aire acondicionado, los cuadros de control, etc..

Una vez que se cierran los interruptores que alimentan a estos equipos no tendrían porque volver a abrirse.

Sin embargo hay otras muchas cargas que requieren de control, como por ejemplo los salidas que alimentan a la mayoría de los motores para ventiladores y bombas.

Para arrancar y parar el motor se tendrá que cerrar o abrir el contactor o el interruptor, por lo que se tendrá que actuar de alguna manera sobre dichos contactores o interruptores para controlar el proceso.

En el dibujo anterior se muestran dos salidas eléctricas. Una alimenta a una bomba y otra sin control remoto será un salida tipo feeder que alimenta al armario del sistema de aire comprimido.

4.4. Control Local o Remoto

Las salidas eléctricas pueden ser accionadas localmente o controlados remotamente..

Muchas salidas son de acción exclusivamente local (principalmente para cargas tipo feeder), estos interruptores sólo pueden ser accionados desde el propio cuadro.

Nota: No obstante, en las plantas industriales se ven muchas cargas tipo feeder con interruptores con la capacidad de ser controlados remotamente desde el DCS o cualquier otro sistema.

Sin embargo otras salidas, además de poder ser controladas localmente, pueden ser accionadas remotamente a través de señales cableadas. Muchas veces estas señales de control remoto serán cableadas al sistema de control principal de la planta.

Por ello resaltar que, aunque el interruptor está ubicado en el cuadro eléctrico (que alimenta eléctricamente la carga), la acción de cerrar o abrir dicho interruptor es trasladada a otro sistema remoto.

Estás acciones remotas se suelen implementar a través de la excitación de alguna bobina auxiliar que a su vez cierra algún contacto auxiliar que acabará actuando sobre el contacto de fuerza del motor.

Hay que tener en cuenta que en el unifilar general sólo se representan los interruptores de fuerza, no se representan las bobinas ni contactos auxiliares. Para ver esto con detalle habrá que estudiar los esquemas de cableado desarrollados de cada cuadro.

4.5. Control Automático o Manual

Al margen que el control sea local o remoto. El elemento final que decide sobre el control del equipo (por ejemplo el sistema de control de la planta), puede estar configurado de modo manual o automático.
 
En modo manual será el operador el que decida cuándo y cómo debe funcionar el equipo.

En modo automático, la programación de algún automatismo arrancará y detendrá el equipo en función de lo que se haya preestablecido.

Nota: Aunque parezca algo muy sencillo, muchos ingenieros confunden estos conceptos Automático / Manual, Local /Remoto.

4.6. Elementos de Protección

En muchas ocasiones en los unifilares eléctricos se representará parte de las protecciones eléctricas.

Los elementos de protección pueden estar integrados dentro de los propios equipos. Por ejemplo muchos interruptores pueden tener integrados algunas funciones de protección, como la acción diferencial, un magneto-térmico o un fusible. Estas protecciones se podrían reflejar en el unifilar si se considera adecuado.

Otras acciones de protección son realizadas por equipos específicos con esta función, como los relés de protección.

Los relés de protección, son equipos cuya principal función es proteger los sistemas eléctricos.

Por un lado, reciben información del sistema eléctrico, supervisando variables como, los niveles de tensión, corrientes, desfases, derivaciones a tierra, temperaturas, etc, y por otro lado en función de la información captada del sistema, son capaces de originar disparos para proteger los equipos cuando es necesario.

Cada función de protección de los relés, tiene un número asignado que está estandarizado.

Por ejemplo:

27- Indica mínima tensión
49- Alta temperatura
50- Indica sobre-intensidad
…etc.

Aunque no se suelen representar directamente los relés de protección en los esquemas unifilares, se pueden representar las funciones de protección que realizará el relé sobre los interruptores y/o otros equipos.

En el dibujo del ejemplo se representa, un interruptor que es accionado por un relé de protección con las funciones 27, 49 y 50.

Nota: Como norma general el sistema de control de la planta (que podría ser un SCD o un PLC), no debería asumir ninguna función de protección eléctrica. Las protecciones eléctricas deben ser gestionadas por los sistemas eléctricos. Como regla general, el sistema de control de las plantas industriales, TIENE LA FUNCIÓN DE CONTROLAR EL PROCESO DE LA PLANTA. No debería de suplir las funciones de seguridad, aunque durante su diseño siempre se tendrá en cuenta la protección de las personas y la protección de los equipos.

4.7. Elementos de Medida

Los elementos de medida más representativos de los sistemas eléctricos son, los trafos de tensión y los trafos de corriente.

Estos elementos de medida, suelen enviar los valores recogidos, a los relés de protección o a los analizadores de red.

Los analizadores de red registrarán los parámetros más relevantes del sistema eléctrico, y pueden reenviarán esta información a otros sistemas.

Nota: Es probable que en el unifilar general no se llegue representar toda esta información. Pero si se reflejará en la documentación de cada cuadro.

5. PARTES PRINCIPALES DE UN DIAGRAMA UNIFILAR GENERAL

En un diagrama unifilar general de una planta industrial, se representarán los equipos con mayor relevancia dentro del sistema eléctrico. Cuando la planta industrial es relativamente grande y compleja, el diagrama general puede estar constituido por una colección de varios planos.

A continuación veremos un ejemplo muy sencillo de lo que podría ser el unifilar general de una planta industrial.

5.1. Conexión con la Red

La mayoría de las plantas industriales, se conectan a la red eléctrica.

En la parte superior de su unifilar general se podría ver el punto de conexión con la red eléctrica.

En este ejemplo, se ha diseñado una línea aérea que llega a una pequeña subestación. 

5.2. Subestación

La subestación eléctrica es un emplazamiento destinado a distribuir, medir y/o adecuar la energía eléctrica.

Normalmente estará ubicada en la periferia de la planta y suele ser una zona de acceso restringido.

Constará principalmente de equipos de medida de energía eléctrica, interruptores, seccionadores, etc.

De la sub-estación saldrán los cables que conectarán el resto de la planta a la red eléctrica.

5.3. Transformador Principal

En un caso típico el nivel de tensión que le llega de la red eléctrica tiene un valor muy alto (ejemplo 230 kVac). La planta normalmente requerirá unos niveles de tensión más bajos (6,9 kVac), y para reducir este valor se instalará un transformador de tensión.

En este ejemplo se pasa de un nivel de tensión de la red de 230 kV a 6,9 kV.

5.4. Edificio Eléctrico

Siguiendo el ejemplo propuesto, desde el transformador los cables se dirigirán al edificio eléctrico.

El edificio eléctrico suele ser una construcción de varias plantas.

La primera planta del ejemplo está destinada a la instalación de armarios eléctricos. En esta planta suele haber varias salas independientes:

1º- Sala eléctrica para la instalación de los armarios eléctricos principales (cabinas de media, CCM, etc).

2º- Una sala destinada a armarios de electrónica de potencia (rectificadores, inversores, variadores, etc).

3º- Otra sala independiente destinada para la instalación de las baterías de corriente continua.

En la segunda planta del ejemplo se ha instalado:

1º- Sala electrónica. Destinada principalmente para los armarios de control y comunicaciones.

2º- Una sala de control, con los puestos de operación demás ordenadores desde los que se supervisa y se controla la planta industrial.

5.5. Cabinas de Medida

Siguiendo el ejemplo, los primeros equipos representados en el unifilar que se ubican en el edificio eléctrico, son las cabinas de media (instalados en la sala eléctrica de la primera planta).

1º- El primer elemento representado en el dibujo, es el interruptor de acometida de media tensión.

2º- En segundo equipo del ejemplo, es el interruptor que alimenta al transformador de baja tensión.

3º- El tercer equipo del ejemplo es un interruptor que alimenta a un variador de velocidad.

4º, 5º- Los siguientes interruptores alimentan directamente a motores.

Nota: Todos estos motores que cuelgan del sistema de media tensión, suelen ser los motores de mayor potencia de la planta. Para evitar grandes secciones en los cables estos equipos, se diseñan para trabajar con un nivel de tensión mayor que el resto de las cargas.

5.6. Transformador de Baja Tensión

El transformador de baja tensión suele estar emplazado fuera del edifico eléctrico, reduce la tensión de media a un nivel de tensión apto para la mayoría de los equipos eléctricos. Por ejemplo de 6,9 kV a 0,48 kV.



5.7. Cuadro de Distribución de Baja Tensión

Del transformador de baja, se alimentará al cuadro de distribución de baja tensión.

Este cuadro consta de un interruptor de acometida, y de varios interruptores que alimentarán a los distintos cuadros de baja tensión. En una planta industrial puede haber bastantes cuadros de baja tensión, pero. en el unifilar general la planta se suelen representar sólo, los que se consideren más relevantes.

5.8. CCM

Un ejemplo de cuadro de baja tensión, son los CCM (Cuadro de Control de Motores).

Estos armarios suelen estar subdivididos en pequeños cubículos repartidos por el cuadro. Cada cubículo puede constar de un interruptor, botoneras selectores e indicaciones que permiten operar el interruptor de forma local (desde el CCM) o remota.

5.9. Sistema de Esenciales

El sistema de esenciales es capaz de seguir funcionar de forma autónoma durante un fallo de tensión de la red, esto se logra mediante la conmutación de un grupo electrógeno que está configurado para entrar a funcionar cuando detecte un fallo de alimentación.

A este sistema se conectarán todas las cargas eléctricas que en caso de fallo de tensión de la red deban seguir funcionando, hasta llevar la planta a una parada segura.

Según el ejemplo en el sistema de esenciales se ha instalado, un cuadro de distribución de esenciales, el grupo electrógeno (o grupo diésel) y el cuadro del grupo electrógeno.


Nota: El grupo electrógeno se suele instalar en exterior del edificio mientras que su cuadro de control suele estar instalado en el interior.

5.10. Sistema de Tensión segura

En las plantas industriales suele haber otros dos sistemas eléctricos que deben tener la capacidad de funcionar en caso de fallo en la red eléctrica, “sistema de corriente continua” y el “SAI”.

Estos sistemas son más restrictivos que el sistema de esenciales, ya que se especifican para que en caso de fallo de la red, deben seguir funcionando si generar perturbaciones en los equipos que alimentan. Por esta razón a estos dos sistemas se les llama “sistema de tensión segura”.

5.10.1. Sistema de Corriente Continua

Las grandes plantas industriales suelen contar con un sistema de corriente continua (por ejemplo 125 Vdc).

Este sistema se suele considerar como un sistema de tensión segura, ya que no dependerá exclusivamente de la red eléctrica sino que paralelamente tiene un grupo de baterías que aumentan su disponibilidad.

Normalmente el sistema de continua, es alimentado por el rectificador. El rectificador transforma la tensión alterna de baja (ejemplo 0,48 kVac), en tensión de continua (ejemplo 125 Vdc).

El rectificador es uno de los equipos que se debe instalar en la sala reservada para equipos de electrónica de potencia (junto con el inversor y los variadores de velocidad).Estos equipos se aíslan del resto haciendo especial atención a su puesta a tierra, debido principalmente a su capacidad de transmitir armónicos al resto de los equipos eléctricos.

Normalmente desde el rectificador a la vez que se alimenta a todo el sistema de corriente continua, se recargan las baterías.

Debido a las sustancias químicas con las que están fabricadas las baterías, también se suelen instalar en una sala independiente.

Si la alimentación de baja fallara, las baterías dejarían de recargarse y comenzaría a alimentar al sistema de continua.

Nota: Un ejemplo típico donde debido a su criticidad se suele especificar una alimentación de corriente continua, es para la alimentación del control de las cabinas de media tensión. Para controlar remotamente un interruptor del sistema eléctrico, no se suele actuar directamente sobre la solenoide del interruptor de fuerza, se suele requerir de otra alimentación auxiliar para alimentar la tensión de control de la cabina. Como se muestra enel siguiente dibujo.

5.10.2. Sistema de Alimentación Ininterrumpida (SAI)

Sistema de Alimentación Ininterrumpida (SAI), en inglés Uninterruptible Power Supply (UPS), cumple una función similar al sistema de corriente continua, pero en este caso alimentará a las cargas de alterna que requieren alimentación segura ininterrumpida.

El sistema del SAI dispone de dos alimentaciones redundantes. Una desde el sistema de corriente continua y otra desde el sistema de esenciales. No obstante siempre no haya una fallo del sistema se alimentará desde el sistema de continua.

La alimentación de continua se transforma en corriente alterna al pasar a través de un equipo llamado inversor (al contrario de lo que hace el rectificador).

Los rectificadores se instalan en la sala de electrónica de potencia.

6. ALIMENTACIÓNES REDUNDANTES

Disponer de alimentaciones redundantes, implica disponer de varios caminos para alimentar eléctricamente un equipo o un cuadro eléctrico aumentando así la disponibilidad.

En las especificaciones es cada vez más común ver requisitos de redundancia en alguno o en cada casi todos los cuadros eléctricos.

En los sistemas eléctricos redundantes, normalmente disponen de dos caminos para alimentarse eléctricamente. Uno de estos caminos estará habilitado mientras el otro permanece abierto en standby. Cuando hay un fallo de alimentación por el camino principal el sistema lo detectará deshabilitando el camino principal y habilitando el camino secundario.

El siguiente ejemplo de alimentación redundante contiene cuatro elementos.

-Dos interruptores (1 y 2) de acometida.

- Un interruptor de acoplamiento (3).

- Un sistema de control que gestione la transferencia (ATS) (4)

Normalmente cada barra es alimentada desde su propio interruptor de acometida, mientras el interruptor de transferencia permanece abierto.

Cuando hay una falla en una de las alimentaciones, el sistema que controla la transferencia detecta una baja tensión, abriendo el interruptor de la alimentación (1) que dio fallo y cerrando inmediatamente el interruptor de transferencia (3).

Nota: El Sistema de Transferencia Automática (ATS Automatic Transfer Switch), suele ser un sistema de control específicamente diseñado para esta aplicación. En algunas ocasiones se utiliza el propio sistema de control de la planta u otros sistemas no específicos para esta función, pero esto nunca es recomendable. Como se ha comentado anteriormente, los sistemas de control principales están diseñados para el control del proceso, la disponibilidad y seguridad de la planta, se debería ceder a otros sistemas específicos para dichas funciones.

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Agradecemos las aclaraciones recibidas de Javier Iglesias

Elaborado por: Julio.C Fernández Losa 06/01/2017 

Si tiene algo que corregir o añadir agradecería que me mandara sus comentarios a: InstrumentacionHoy@gmail.com