Curso de subestaciones PARTE III DISEÑO.ppt

JUNIO 2005 INSTRUCTOR ING. ELECTRICISTAHERNAN PARRA

CRITERIOS Y FORMULACIONES PARA EL DISEÑODE SUBESTACIONES


AISLAMIENTO

Es el elemento o material de una instalación que tiene la

propiedad de soportar una sobre tensión sin que se deteriore

su rigidez dieléctrica.

TIPOS:

auto recuperable

No auto recuperable


SOBRETENSIONES

-Internas: Por maniobras de los interruptores.

-Externas: De origen atmosférico.

Por maniobra de los interruptores

Sobre tensiones a la frecuencia del sistema.

Sobre tensiones Transitorias.


SOBRETENSIONES

Sobre tensiones a frecuencia del sistema.

Perdida súbita de carga.

Cuando la carga se pierde, las caídas de tensión por los

efectos inductivos y capacitivos tienden a desaparecer y la

tensión aumenta debido al efecto capacitivo. Efecto Ferranti.

Fallas de línea a tierra.


SOBRETENSIONES

Sobre tensiones transitorias.

Debido a la operación de los interruptores.

Interrupción de cortocircuitos

Desconexión de transformadores y reactores en vacío

Desconexión de líneas de transmisión largas en vacío.


SOBRETENSIONES

A partir de 300 kV el criterio para seleccionar el nivel de

aislamiento de una instalación son Sobre tensiones por maniobra.

Las sobretensiones transitorias se utilizan para dimensionar a los

interruptores de alta tensión.


SOBRETENSIONES

A partir de 300 kV el criterio para seleccionar el nivel de

aislamiento de una instalación son Sobre tensiones por maniobra.

Las sobre tensiones transitorias se utilizan para dimensionar a los

interruptores de alta tensión.

De 300 kV hacia abajo el criterio para seleccionar el nivel de aislamiento de

una instalación son las Sobre tensiones por descargas atmosféricas.


SOBRETENSIONES

La rigidez dieléctrica de un aislamiento puede colapsar por efecto

de una sobre tensión dando origen a la creación de un arco

eléctrico, en consecuencia los equipos, subestaciones o cualquier

otro elemento que pueda estar a un potencial distinto de cero se

diseña para que soporte un valor máximo de sobre tensión.


SOBRETENSIONES

Dependiendo de la tensión nominal de operación de la subestación o

equipo se han normalizado los valores máximos de sobre tensión que esta

puede soportar.

Estos valores se definen de la siguiente manera:

BIL ( Basic Insulation Level )

Nivel básico de aislamiento para sobre tensiones por descargas

atmosféricas, criterio utilizado para instalaciones con tensiones menores o

iguales a 300 kV

BSL ( Basic Switching Level )

Nivel básico de aislamiento para sobre tensiones por maniobra, criterio

utilizado en instalaciones con tensiones mayores de 300 kV.


ES IMPORTANTE TENER EN CONSIDERACION QUE EL DISEÑO DE

UNA SUBESTACION NO SOLO ESTA REGIDO POR EL ESQUEMA

QUE ELLA PUEDA TENER SINO TAMBIEN POR SU CAPACIDAD

PARA MANTENERSE OPERATIVA Y SEGURA FRENTE A LAS

SOBRETENSIONES QUE PUEDAN OCURRIR O INCIDIR SOBRE ELLA

Para mayor información respecto al tema de las sobretensiones en sistemas de potencia consultar el libro:

Técnicas de las Altas Tensiones Volumen I. Segunda Edición.

Autor: Enriquez Harper.

Editorial: Noriega Limusa


Son las distancias que permiten definir la separación que debe existir

entre los diferentes componentes que conforman una subestación.

Se distinguen tres (3) tipos de distancias que son:

Distancias dieléctricas o por descarga disruptiva.

Distancias de Seguridad o circulación.

Distancias de Mantenimiento

DISTANCIAS DE DISEÑO


Son aquellas que permiten garantizar un perfecto aislamiento entre dos

cuerpos bajo tensión o un cuerpo bajo tensión y uno a tierra.

DISTANCIAS DIELECTRICAS

Las distancias dieléctricas o de descarga disruptiva son las mínimas que

garantizan que no habrá un arqueo.

Las distancias dieléctricas son:

- Distancia de fase a tierra.

- Distancia de fase a fase.


Existen dos métodos significativos para la determinación de la distancia

mínima de fase a tierra, las cuales fueron desarrolladas simultáneamente

en Italia y en Francia. Cada uno fue desarrollado por criterios de

investigación diferentes sin embargo los resultados son casi similares.

Ellos son:

Método de L. Paris desarrollado en Italia.

Método Gallet - Leroy en Francia.

DISTANCIAS DIELECTRICAS FASE TIERRA


Establece que la distancia de fase a tierra viene dado por la siguiente

expresión:

VCFO = k * 500 * d0,6

Donde:

VCFO = Voltaje critico de descarga (Voltage critical flashover) [kV]

k = Factor de espacio en el aire o factor de gap.

d = Distancia de fase a tierra [m]

METODO DE L. PARIS


Establece que la distancia de fase a tierra viene dado por la siguiente

expresión:

VCFO = 3400 * k / (1+ 8/d)

o

d= 8 * VCFO / (3400 * k – VCFO)

METODO DE GALLET - LEROY


QUIEN ES EL FACTOR k

Configuración Factor k

- varilla- varilla 1,4

- Conductores de fase exterior a torre o pórtico 1,35

- Conductor de fase interior a ventana 1,2

- Fase--Fase 1,5

- Punta - Plano 1,0


QUIEN ES VCFO

La tensión VCFO es el valor al cual ocurre la descarga en un aislamiento

en un 50% de los impulsos aplicados.

Las Normas IEC recomiendan la aplicación de las siguientes ecuaciones

para obtener la tensión VCFO.

BIL = VCFO * ( 1 – 1,3 * )

BSL = VCFO * ( 1 – 1,3 * )

Donde es la desviación estándar

BIL = Nivel Básico de Aislamiento por descargas atmosféricas

BSL = Nivel Básico de Aislamiento por maniobra


QUIEN ES VCFO

Cabe resaltar que el BIL o BSL es el valor de tensión al cual ocurre la

descarga en un aislamiento en un 10% de los impulsos aplicados.

Mientras que:

= 3% para impulso por rayo

= 6% para impulso por maniobra

Por lo que simplificando:

VCFO = BIL / 0,961

VCFO = BSL / 0,922


EJEMPLO

Aplicando L. Paris

VCFO = k * 500 * d0,6

572,32 = 1 * 500 * d0,6

d0,6 = 572,32 / 500 = 1,1446

0,6 * Ln d = Ln 1,1446

Ln d = 0,225

d = 1,25 m

Voltaje nominal = 115 kV ; Voltaje máximo del sistema = 123 kV ; BIL = 550 kV.

Para una configuración punta plano k = 1

Aplicando Gallet-Leroy

d = 8 * VCFO/ (3400 * k – VCFO)

d = 8 * 572,32 / ( 3400 * 1 – 572,32 )

d = 1,619 m

De acuerdo a la IEC 71

VCFO = BIL 0,961 = 550 / 0,961

VCFO = 572,32 kV


METODO SIMPLIFICADO DE GALLET-LEROY

d = * VCFO / 450

= 1 para V < 400 kV

Así para:

230 kV

115 kV


DISTANCIA FASE A FASE

No existen ecuaciones para calcular las distancias de fase-fase, sin embargo, se

han establecido reglas que consideran los efectos de las condiciones de

cortocircuito, viento, efectos sísmicos las cuales se indican a continuación:

CLASE DE AISLAMIENTO DISTANCIA FASE-FASE

24 kV o menor 1,67 * dFT

De 34,5 hasta 115 kV 1,6 * dFT

230 kV 1,37 * dFT

400 kV 1,58 * dFT

PARA BARRAS SOPORTADAS

CLASE DE AISLAMIENTO DISTANCIA FASE-FASE

24 kV o menor 3,35 * dFT

De 34,5 hasta 115 kV 2,03 * dFT

230 kV 1,72 * dFT

400 kV 1,94 * dFT

PARA BARRAS TENDIDAS


OTRAS DISTANCIAS DIELECTRICAS

Altura mínima de las barras sobre el nivel del suelo.

hBarras = 5 + 0,0125 * kVMAX.

Altura de las partes energizadas de los equipos

hEquipos = 2,25 + 0,0105 * kVMAX.

Altura mínima de las llegadas de líneas

hLínea = 5 + 0,006 * kVMAX.

Estas distancias aplican a alturas menores o iguales a 1000 msnm.

En caso de instalaciones a mayor altura se debe hacer compensación de dicho valor.

La ecuación es la siguiente:

h nueva = h vieja + [ 0,0125 *((h nueva-1000)/100)* h vieja ]


DISTANCIAS DE SEGURIDAD

Se define como distancia de seguridad, a los espacios libres que permiten

circular y efectuar maniobras al personal dentro de la subestación, sin que exista

riesgo para sus vidas.

Esta conformada por dos términos la distancia dieléctrica de fase a tierra mas la

talla media de un operador definida según el papel de trabajo Nº 23 de IEC.

Pueden expresarse por las siguientes ecuaciones.

dh = dFT + 0,60

dv = dFT + 2,25


DISTANCIAS DE SEGURIDAD

Las distancias de seguridad se agrupan de la siguiente manera:

Circulación de personal

Circulación de vehículos

Zona de trabajo


TALLA MEDIA DE UN OPERADOR


ZONA DE CIRCULACION


MEDIOS DE PROTECCION


CIRCULACION DE VEHICULOS


ZONAS DE TRABAJO


TABLAS NORMALIZADAS


TABLAS NORMALIZADAS


TABLAS NORMALIZADAS


DIMENSIONAMIENTO DE BARRAS


Guide for design of Substation Rigid-Bus Structures. IEEE Std 605-1998

Standard for calculating the current-temperature relationship of Bare overhead

conductors IEEE Std 738-1993

Calculation of the effects of short-circuit currents IEC Std 865

Normas de Subestaciones CADAFE NS-PIII.9.

Especificación Técnica para Barras y Conductores desnudos CADAFE NS-E-240

Guía Técnica para el calculo de juego de barras CADAFE NS-P-240

TUBULAR BUS. Burndy Catalog

NORMAS Y GUIAS


Las barras de una subestación deben seleccionarse tomando en cuenta

los siguientes parámetros:

Expansión futura de la subestación

Carga del viento

Capacidad de los aisladores

Longitud del vano

Flecha y tensión mecánica

Variaciones de temperatura


Se debe verificar que los conductores usados como barra en una subestación soportan las condiciones tanto eléctrica como mecánica a que serán sometidos a lo largo de su vida útil.

VERIFICACION DE LA BARRA SELECCIONADA

Las condiciones eléctricas que aplican son:

Capacidad térmica

Cortocircuito

Las condiciones mecánicas que aplican son:

Barras tendidas

Barras soportadas

Esfuerzo estático

Esfuerzo Estático

Esfuerzo dinámico

Flecha

Tensado máximo

Esfuerzo por cortocircuito

Esfuerzo estático

Esfuerzo Estático

Esfuerzo dinámico

Flecha

Tensado máximo

Esfuerzo por cortocircuito


VERIFICACION DE LA BARRA SELECCIONADA

Existen varios métodos para el calculo de la

capacidad térmica de los conductores desnudos

entre los que se encuentran:

Westinghouse

Westinghouse modificado

Goldenberg

Azimut Solar

CAPACIDAD TERMICA


El recomendado por CADAFE en su Norma y en la IEEE pero el mas incomodo de aplicar el el

Azimut solar pues requiere de la posición del conductor respecto al sol y eje magnético de la tierra.

I2 * R

Radiación

Insolación

Convección

Todos los métodos se

basan en la ecuación

de balance térmico.

La diferencia entre el

Westinghouse y el

Westinghouse

modificado es que el

segundo contempla el

calentamiento del

conductor debido al sol

CAPACIDAD TERMICA


ECUACION DE BALANCE TERMICO

Calor generado = Calor disipado

Efecto Joule + Insolación = Radiación + Convección

CAPACIDAD TERMICA


Método Westinghouse modificado

4a

4c

12 273T273Te108,36Wr

Wr [w/pulg2] = Potencia disipada por el conductor por radiación

e = Emisividad de la superficie del conductor

Tc [ ºC ] = Temperatura de operación del conductor

Ta [ ºC ] = Temperatura ambiente.

CAPACIDAD TERMICA



TTm

d

vP0128,0

Wc 123,0

Wc [ W/pulg2 ] = Potencia disipada en el conductor por convección

d [ pulg. ] = diámetro del conductor

v [ pie/s ] = velocidad del viento ( Valor promedio 2,2 km/h )

DT [ ºC ] = Variación de Temperatura

Tm [ ºK ] = Temperatura media del conductor

h [ m ] = Altura del conductor sobre el nivel del mar

P [ atm ] = Presión atmosférica

( L1 expresado en pulgadas y L en pulg ).

A [ pulg2/pulg ] = Área superficial del conductor por unidad de longitud.L

1LdA

CAPACIDAD TERMICA



)Tc(ac2

g RIP

Pg [W/pulg] = Potencia generada por el conductor debido al efecto Joule

I [A] = Corriente en el conductor

Rac(Tc) [ W/pulg ] = Resistencia del conductor a la temperatura Tc.

CAPACIDAD TERMICA



3I 104516,6saW

s [ mW / cm2 ] = Intensidad de radiación solar (Normalizado CADAFE 110 )

a = Coeficiente de absorción solar

Wi [ W/pulg2 ] = Potencia absorbida por insolación

ARac

2

WiWrWc

ITC

CAPACIDAD TERMICA


Método Azimut Solar

Pf ReCAsTaTcWc

52f 107

2

TaTc1042,2

Wc [ W/m ]= Potencia disipada por convección por unidad de longitud

λf [ W / m * ºC ] = Conductividad térmica del aire en la superficie del conductor

As = Angulo de ataque del viento

Re = Número de Reynolds

C, p = Constantes asociadas a r y Re

CAPACIDAD TERMICA



n

180SenBAAs

Ψ [ ºSex ] = Angulo de incidencia del aire sobre el conductor

A, B, n = Constantes asociadas al ángulo Ψ

Vf

10dvRe

3

Vf [ m2 / s ] = Viscosidad cinemática de la película del aire que circunda el conductor

v [ m/s ] = velocidad del viento

d [mm] = Diámetro externo del conductor

d1 [ mm ] = Diámetro de los hilos que forman el conductor

r = rugosidad

d

1dr

CAPACIDAD TERMICA



34410d273Ta273TceWr

Wr [ W / m ] = Potencia disipada por radiación por unidad de longitud

σ [ W/m2 * ºK ] = Constante de Stefan’s Boltzman ( Su valor es 5,67 x 10 -8 )

CAPACIDAD TERMICA



3107,12AfsenaRsWi

Wi [ W/m ] = Potencia absorbida por insolación por unidad de longitud

Rs [ W/m2 ] = Radiación solar directa

Φ [ ºSex ] = Angulo de inclinación del sol con respecto al eje del conductor

f = Factor multiplicador de corrección debido a la altura del conductor

a = Coeficiente de absorción solar.

A [ pulg2/pulg ] = Área superficial del conductor

CAPACIDAD TERMICA



180

ZcZscos180

Hccosarccos

Hc [ ºSex ] = Angulo de la altura del sol sobre el horizonte.

Zs [ ºSex ] = Azimuth del sol

Zc [ ºSex ] = Azimuth del conductor

TCRac

WiWrWcI

CAPACIDAD TERMICA


Criterios para la verificación por capacidad térmica

Los criterios a seguir indistintamente del modelo que se tome, deben ser los siguientes (basados en las Normas de CADAFE) :

En exteriores.

- Temperatura ambiente máxima 40 °C

En instalaciones interiores.

- Temperatura ambiente máxima 40 °C, 50 °C, 60 °C

Aumento de temperatura máxima de diseño:

- En condiciones normales 30 °C y 35 ºC en el punto mas caliente.

- En condiciones de emergencia 70 °C

CAPACIDAD TERMICA


Criterios para la verificación por cortocircuito

CORTOCIRCUITO

En este sentido y previendo esta situación la sección de las barras se verifica de manera tal que el aumento súbito de temperatura del conductor, no exceda la temperatura de fusión del mismo.

Debido al tiempo tan reducido en que ocurre la corriente de cortocircuito que circula por un conductor, tiende a elevar su temperatura. El aumento de temperatura puede alcanzar la temperatura de fusión de dicho conductor ocasionando males de mayor intensidad.

234T

234Tlg0297,0t

S

I

1

2

2

para el cobre.

228T

228Tlg0125,0t

S

I

1

2

2

para el aluminio.

I [A] = Corriente de cortocircuito.

S [CM] = Sección del conductor en circular mil.

t [s] = tiempo de duración del cortocircuito.

T2 ; T1 = Temperatura en ºC.


Criterios para la verificación por cortocircuito

CORTOCIRCUITO

Por lo general se selecciona la temperatura del conductor de manera que no se produzcan

recocido en el área que une al conductor con la mordaza o conector de fijación.

No obstante existen autores que recomiendan considerar 300 C para conductores desnudos.


CRITERIOS PARA VERIFICACION MECANICA

BARRAS TENDIDAS

- Flecha máxima

- Esfuerzo a la rotura en condiciones estáticas

- Esfuerzos electromagnéticos debido a la corriente de cortocircuito.


FLECHA MÁXIMA

BARRAS TENDIDAS

2 % del vano L para L 20 m

3 % del vano L para 20 m < L 80

m

5 % del vano L para 80 m L

Deben mantenerse las siguientes condiciones:

Vanos menores a 10 m.

- No se toman en cuenta los efectos de las condiciones atmosféricas.

- La flecha total es la suma de la flecha del conductor mas la flecha de la cadena.

Vanos mayores de 10 m.

- No se toman en cuenta el efecto de las cadenas.

- La flecha se debe solo al conductor.


FLECHA MÁXIMA

BARRAS TENDIDAS

Flecha debido al conductor:

TMínima*8

L2wi

f máxima

Flecha debido a la cadena:

h BCh ACf cadena

1

C1dACcoshC1hAC

1

C1dBCcoshC1hBC


ESFUERZO EN CONDICIONES ESTATICAS O PERMANENTES

BARRAS TENDIDAS

Para la verificación de este esfuerzo se puede utilizar con mucha aproximación la ecuación del cambio de estado, cuya formula matemática viene expresada de la siguiente manera:

024

E* * S Pf* aTfTiθiθfα ** E* S

Ti 24

E* * S Pi* aTf

222

2

223


Criterios para selección y aprobación de las barras tendidas.

BARRAS TENDIDAS

En el cálculo de las tensiones y flechas en condiciones estáticas se deberá tomar en cuenta lo siguiente:

La flecha máxima no deberá exceder los valores indicados anteriormente a la máxima temperatura de la zona.

La máxima tensión a la cual puede llegar el conductor será el 80 % de la tensión de diseño del pórtico (si se conoce este valor), con un viento de 120 km/h y a la temperatura mínima de la zona o en su defecto al 50 % de la carga de rotura del conductor.


BARRAS TENDIDAS

Criterios para el calculo de las tensiones y flecha de tensado

Hipótesis A:

Temperatura mínima., viento máximo 120 km/h, 50 % tensión de ruptura máxima y modulo de elasticidad final.

Hipótesis B:

Temperatura media según la ubicación geográfica de la subestación, sin viento, tensión inicial calculada mediante la ecuación indicada anteriormente para la flecha y la cual no debe exceder el 30 % de la carga de ruptura del conductor.

Hipótesis C:

Temperatura mínima según la ubicación geográfica de la subestación, sin viento, tensión máxima final igual al 25 % de la carga de ruptura.

Se deberá tener en consideración todas las cargas verticales aplicadas a la barra.

Las condiciones bajo las cuales se determina el máximo esfuerzo en condiciones estáticas son las siguientes:

Condiciones iniciales las estipuladas para la flecha máxima:

- Viento 0 km/h

- Temperatura máxima según la ubicación geográfica o en su defecto una temperatura de diseño de 70 °C.

- Tensión mínima.


BARRAS TENDIDAS

Esfuerzos electromagnéticos debido a la corriente de cortocircuito.

Ejemplos de los efectos de los cortocircuitos


BARRAS TENDIDAS




BARRAS TENDIDAS



Documents

Curso de subestaciones PARTE III DISEÑO.ppt