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Innovación en herramientas de diseño en HMV Ingenieros: HMV Tools y DISAC

Medellín ene. 18, 2018

Los requerimientos de diseño de subestaciones eléctricas de alta y extra alta tensión han cambiado radicalmente en los últimos años. Los tiempos de diseño han pasado de años a meses y las exigencias son cada vez mayores.

Esto crea un nuevo reto para las firmas de ingeniería: es necesario hacer diseños en el menor tiempo posible, manteniendo su calidad y alineando los equipos de trabajo. Además de los retos técnicos, las variables externas al diseño, juegan un factor importante; por ejemplo las dificultades de encontrar terrenos con las dimensiones adecuadas para la ubicación de subestaciones, exige a los diseñadores estudiar varias alternativas dentro de los mismos plazos asignados, considerando restricciones ambientales y de adquisición de lotes.

Así mismo, durante el proceso de diseño básico y detallado de una subestación, es inevitable realizar ajustes debido a factores externos al equipo de diseño (cambios del lote, cambio de los equipos que van a ser comprados por el cliente, cambios de requerimientos de los interesados, ajuste de llegadas de líneas, etc.); o factores internos como personal calificado, suficiente y con experiencia, manejo unificado de la información del proyecto por el equipo de trabajo (parámetros y criterios de diseños, especificaciones y requerimientos de los clientes, versionado de planos y documentos, etc.).

Esto ha creado una gran presión sobre las firmas de ingeniería, que deben atender eficientemente los requerimientos continuos de cambios en el alcance solicitados por los diversos interesados en el proyecto, sin afectar los tiempos de entrega, costos de los trabajos y calidad de los diseños.

Durante los últimos 10 años, HMV Ingenieros Ltda., ha venido desarrollando dos herramientas complementarias de diseño asistido por computador (HMVTools y DISAC) que permiten optimizar el tiempo y reducir del riesgo en el diseño de las subestaciones de alta y extra alta tensión. Estas herramientas integran un ambiente de aplicaciones orientado a la realización de los cálculos eléctricos, mecánicos y civiles (incluyendo las memorias de cálculo requeridas para sustentar los resultados). Se complementan con una plataforma CAD de diseño que permite generar el modelo tridimensional de la subestación, asociado con los resultados de las memorias de cálculo obtenidas durante el proceso de diseño.

Estos desarrollos se soporta en el conocimiento y experiencia adquiridos durante 50 años en el ejercicio de consultoría, gerencia y diseños de proyectos eléctricos de sistemas de transmisión en alta y extra alta tensión, y aprovechando los avances en sistemas de información y tecnologías BIM (Building Information Model).

Este modelo asegura el flujo de trabajo correcto entre las diferentes disciplinas que interactúan en el proyecto, disminuyendo considerablemente los tiempos de diseño y minimizando el riesgo de errores durante la etapa de diseño que pueda entorpecer el proceso de construcción de la subestación. De esta manera evita duraciones mayores y sobrecostos de los proyectos.

HMV Tools

HMV Tools es una herramienta de software desarrollada bajo un entorno WEB, lo que permite a un equipo de diseño distribuido geográficamente trabajar sobre el mismo modelo, logrando beneficios tales como:

• Unificación de procedimientos de diseño: Se estandarizan los cálculos basados en normas internacionales aplicables y en la recopilación de buenas prácticas de diseño que HMV ha desarrollado.

• Evitar los cálculos en Excel: Esto permite disminuir los errores por fallas humanas en la formulación o adaptación de archivos; trabajar con el archivo desactualizado, o pérdida del cálculo por borrado accidental del archivo en la computadora del usuario.

• Unificación de información del diseño: Los parámetros de entrada de diseño, así como los resultados de salida, estarán disponibles en un solo lugar y no dispersos en varios computadores, archivos o correos.

• Reducir los tiempos de diseño: El ingeniero se dedica más al concepto de ingeniería y análisis de resultados y menos tiempo a los informes y fórmulas para presentar al cliente, en los documentos que soportan las memorias de cálculo.

• Reducción de los tiempos de reprocesos: Un cambio puede ser identificado a tiempo, con los que realizar los ajustes al diseño tomará menos tiempo del actual.
Está basado en los requerimientos de las normas internacionales (IEC, IEEE) y unifica los datos de entrada de una instalación para tener una fuente única de información y la forma de presentación de los resultados, estableciendo una plantilla estandarizada para la presentación de las memorias de cálculo.

HMV Tools crea un flujo automático de trabajo, con facilidades que permiten registro de las etapas de revisión, el registro de las versiones, aprobaciones y control de calidad de los diseños, asegurando resultados confiables debido a procedimientos y datos controlados.

Módulos:

HMV Tools cuenta con los siguientes cálculos, agrupados por módulos de disciplinas:
Modulo General de Datos de entrada:

El Director de proyecto consigna los parámetros de diseño para todas las variables que tienen incidencia en el diseño, como altura sobre el nivel del mar, niveles de corto circuito, temperaturas y vientos promedios y máximos, intensidad sísmica, niveles de tensión y corrientes nominales, etc. Esta información es utilizada por todos los diseñadores y sólo puede ser editada por el director del proyecto garantizando una única fuente de información.

Módulo Electromecánico:

Este módulo incluye los cálculos requeridos por el ingeniero Electricista como:
• Selección del pararrayos.
• Coordinación de aislamiento (IEC 60071).
• Verificación del conductor (flexible o rígido) por:
o Temperatura de operación del conductor (IEEE 738, CICRE 207).
o Sección de cable por corriente de corto circuito (IEEE 605).
o Efecto corona (IEEE 605).
• Cálculo de esfuerzos mecánicos, tensiones y flechas de barrajes flexibles (elementos finitos).
• Cálculo de esfuerzos en tubos (barraje rígido) y cálculo de esfuerzos en aisladores.
• Cálculo de esfuerzos por cortocircuito para barrajes flexibles y rígidos (IEC 60865).

• Cálculo de apantallamiento (IEEE Std 998).
• Estimación de resistividad del suelo (modelo 2 capas usando algoritmos genéticos).
• Cálculo de malla de puesta a tierra (por método de las imágenes).

Módulo de Estructuras:

Este módulo permite a los ingenieros estructurales calcular las cargas transmitidas a nivel de fundación por las estructuras y equipos, además de presentar las cargas para el cálculo de los pernos de anclaje. Lo anterior lo hace interactuando con otras aplicaciones del mismo HMV tools.

El módulo consta básicamente de 4 subrutinas: la primera permite evaluar las cargas sobre el equipo, la segunda las cargas sobre la estructura, la tercera combina las cargas de acuerdo con las normativas de diferentes países y la última calcula las cargas por perno de anclaje, para un gran porcentaje de los casos que se presentan.

Módulo Civil:

Este módulo permite al ingeniero civil determinar las dimensiones de las fundaciones tipo zapata de equipos y columnas de pórticos, además de estimar el refuerzo de acero de cada fundación.

DISAC

El DISAC es una herramienta de diseño para la disposición física de subestaciones, bajo plataforma de dibujo de Autocad, aplicable a subestaciones exteriores convencionales en media, alta y extra alta tensión.

Optimiza los diseños de subestaciones con una gran calidad y tiempos reducidos, mediante el empleo del ambiente gráfico de AutoCAD. Genera planos isométricos, plantas, cortes y detalles en 3D, que se requieren para analizar el diseño y los puntos críticos de una instalación.

El procedimiento no requiere dibujar ninguna geometría en 3D, y se realiza en los siguientes pasos:

• Seleccionar los elementos de las librerías, tales como equipos, pórticos, conexiones, tubos, cables etc.
• Seleccionar el punto donde se ubicaran, punto de inserción.
• DISAC se encarga de ubicar espacialmente estos equipos en tres dimensiones y generar el modelo correspondiente en 3D.

Módulos:

Módulo de equipos: Este módulo permite insertar los equipos, convertir bloques de Autocad en equipos y aumentar las librerías de éstos, según las necesidades del proyecto o el cliente.

Módulos de conexiones: Se encarga de realizar y editar las conexiones flexibles y rígidas entre equipos, bajantes y barrajes o templas superiores. El tendido de conductores flexibles se realiza con métodos numéricos de diferencias finitas, para estimar con precisión la deformación del cable, considerando cargas adicionales (contra contactos, bajantes, cadenas de aisladores etc.). Además este módulo se encarga de la definición del tipo y el conteo de los conectores de alta tensión.

Lista de materiales: este módulo se encarga de generar los listados, detallados o resumidos, de todos los componentes de la subestación.

Módulo de apantallamiento: este módulo grafica las superficies de apantallamiento sobre la subestación, permitiendo determinar la ubicación de cables de guarda, puntas pararrayos y mástiles, usados para proteger los diferentes elementos de la subestación, a partir de los cálculos realizados en el HMVTools, con base en los requerimientos de la norma IEEE-998. También cuenta con los radios de protección recomendados por las normas NFPA-780, IEC-62305 y NTC 4552 para edificios o instalaciones diferentes a un patio de conexiones.

Módulo de malla de puesta tierra: Este módulo permite dibujar y pasar al HMVTools la distribución de cables y varillas, para calcular la malla de tierra; y posteriormente importar los resultados, para visualizar las superficies de tensiones de toque, validando la seguridad dentro de la subestación.

Módulo de fundaciones civiles: Este módulo permite importar las fundaciones calculadas en el HMVTools, lo cual facilita la generación de los planos de fundaciones civiles y permite revisar interferencias entre ellas o entre las fundaciones y la malla de tierra; también genera las secciones detalladas de las fundaciones estimadas en el HMVTools.

Módulo de estructuras: Este módulo se encarga de la selección de las estructuras de pórticos, vigas y soportes de equipos. Las estructuras pueden ser configuradas como celosías, alma llena, rectangular o tubular.

Módulo de importación y exportación de HMVTools: Este módulo se encarga de convertir la subestación diseñada en DISAC, a un modelo digital que se almacena en una base de datos y luego permite importar desde diferentes estaciones de trabajo el modelo parcial o completo, acorde con los requerimientos del diseñador. Esto facilita que varios ingenieros de diferentes disciplinas y especialidades trabajen el mismo modelo digital, reduciendo los errores por cambios en la disposición física dado que se trabaja sobre un único modelo, además permite disminuir los tiempos de respuesta por actualizaciones en el diseño. Por ejemplo: un cambio de localización de un equipo afecta el plano de fundaciones civiles y posiblemente el de malla de tierra, no se requiere que los planos de cortes y secciones estén listos para que los especialistas responsables realicen la actualización respectiva.

Además Disac cuenta con diferentes rutinas tales como:

• Verificación de las distancias eléctricas de aislamiento y de seguridad.
• Simulación de la adecuación del terreno en terrazas con pendientes sobre las cuales se ubican los equipos y estructuras.

Conclusiones:

Las Herramientas BIM combinadas con procedimientos de diseños normalizados y bases de datos centralizados, han permitido a HMV Ingenieros mejorar su capacidad de respuesta en el diseño de subestaciones de alta y extra alta tensión, optimizando los tiempos de diseño, reduciendo costo, aumentando la calidad y facilitando la curva de aprendizaje a los nuevos diseñadores.

Referencias:
Cigre 354 - “Guidelines to cost reduction of air insulated substations”, Working Group B3.15, 2008.