S 1 5944 a Coordinacion de Aislamiento

MEMORIA DE CALCULO

SET HUARANGAL 220/60/10kV

GERENCIA TÉCNICASECCIÓN INGENIERIA DE REDES AT

“ AMPLIACION SUBESTACION HUARANGAL 220/60/10kV ”

Descripción:MEMORIA DE CALCULO

COORDINACION DE AISLAMIENTO

Documento N°: S-1-5944

Revisión N°: A

Fecha: 10-06-2015

HOJA DE CONTROL DE REVISIONES

Nº REVISIÓN FECHA MOTIVO DE LA REVISIÓN REALIZADO REVISADO APROBADO

A 24-08-2015 Emitido revisión interna EMS SFS PRV

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CONTENIDO1. INTRODUCCIÓN.............................................................................................................................2. OBJETIVO.......................................................................................................................................3. NORMAS.........................................................................................................................................4. METODOLOGIA DE CALCULO.....................................................................................................5. CARACTERISTICAS GENERALES...............................................................................................

5.1 Caracteristicas ambientales...................................................................................................................

5.2 Sistema electrico....................................................................................................................................

6. SOBRETENSIONES REPRESENTATIVAS (Urp)........................................................................6.1 Sobretensiones a frecuencia industrial..................................................................................................

6.2 Sobretensiones transitorias....................................................................................................................

6.2.1 Fallas a tierra.........................................................................................................................................

6.2.2 Rechazo de carga..................................................................................................................................

6.3 Sobretensiones de frente lento..............................................................................................................

7. SOBRETENSIONES SOPORTADAS DE COORDINACION (Ucw )..............................................7.1 Sobretensiones a frecuencia industrial..................................................................................................

7.1.1 Sobretensiones transitorias....................................................................................................................


8. SOBRETENSIONES SOPORTADAS REQUERIDAS (Urw ).........................................................8.1 Sobretensiones transitorias....................................................................................................................


9. TENSIONES NORMALIZADAS DE SOPORTE DE IMPULSO Y FRECUENCIA INDUS-TRIAL....................................................................................................................................................

9.1 Tensiones de corta duracion a frecuencia industrial............................................................................

9.2 TENSION DE FRENTE LENTO...........................................................................................................

9.3 TENSION DE IMPULSO......................................................................................................................

10. SELECCIÓN DE TENSIONES DE SOPORTE NORMALIZADAS...............................................11. CONCLUSIONES..........................................................................................................................12. RESUMEN DE LAS SOBRETENSIONES CALCULADAS EN LA RED DE 60 KV.....................

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1. INTRODUCCIÓN

La Empresa de Distribución Eléctrica EDELNOR S.A.A., ha previsto ampliar su capacidad de distribución eléctrica mediante la construcción de la Nueva Subestación Comas 60/20/10 kV, conectándose en esta primera etapa a las líneas de derivación Zapallal – Huarangal 1 - Huarangal 2 - Caudivilla, el cual comprenderá las Obras Civiles, Obras Electromecánicas de Subestaciones y Líneas de Transmisión asociadas.

2. OBJETIVO

El objetivo de este documento es la selección de la rigidez dieléctrica de los equipos en relación con las tensiones de funcionamiento y sobretensiones que pueden aparecer en el sistema, teniendo en cuenta el entorno de servicio y las características de los equipos de protección disponibles.

3. NORMAS

Estos cálculos están basados en normas de la Comisión Internacional Electrotécnica IEC, la cual usualmente es usada como referencia para el cálculo de la coordinación de aislamiento.

Es asumido que estas normas cumplen con la última versión de todas las leyes oficiales y mandatarías que apliquen al proyecto.

IEC 60071-1:2006: Coordinación de aislamiento. Definiciones, principios y reglas

IEC 60071-2:1996: Coordinación de aislamiento. Guía de aplicación.

IEC 60099-4: Pararrayos de óxidos metálicos sin uniones para sistemas de corriente alterna.

IEC 60099-5: Recomendaciones para la selección y utilización.

4. METODOLOGIA DE CALCULO

El procedimiento de coordinación de aislamiento es la determinación de las resistencias dieléctricas de los equipos con respecto a la tensión de estrés que puede ocurrir, teniendo en cuenta las características de los elementos de protección. Para determinar el nivel de aislamiento de los equipos de la subestación se siguió un método determinista para seleccionar el aislamiento interno y un enfoque probabilístico simplificado de la norma IEC 60071-2 para el establecimiento de aislamiento externo. Los pasos principales para la coordinación de aislamiento son:

Determinación de las sobretensiones representativas (Urp)

Determinar las sobretensiones soportadas de coordinación (Ucw)

Determinar las sobretensiones requeridas (Urw)

Elección del nivel de aislamiento normalizado

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5. CARACTERISTICAS GENERALES

5.1 CARACTERISTICAS AMBIENTALES

Altitud máxima 275 mTemperatura mínima 10 °CTemperatura máxima 30 °CNivel de Contaminación PesadoMáxima radiación solar 1000 W/m2 Actividad sísmica AltaNivel Ceraunico 0

Tabla 1: Características ambientales

5.2 SISTEMA ELECTRICO

Voltaje nominal (Ur) kV 60Máximo voltaje del sistema (Us)

kV 72,5

Frecuencia Hz 60Corriente de cortocircuito (Isc)

kA 31,5

Sistema de conexión - YnTabla 2: Características del sistema eléctrico

6. SOBRETENSIONES REPRESENTATIVAS ¿

6.1 SOBRETENSIONES A FRECUENCIA INDUSTRIAL

Para el procedimiento de coordinación de aislamiento, la tensión de referencia más importante es la máxima tensión de servicio continuo Us. Para el sistema analizado, obtenemos los siguientes valores:

Voltaje nominal (Ur) kV 60

Máximo voltaje del sistema (Us) kV 72,5

Tabla 3: (Urp) a frecuencia del sistema

El sistema debe estar diseñado para funcionar por debajo de este límite. Obviamente, los equipos a instalar deben tener una Um igual o mayor que Us.

6.2 SOBRETENSIONES TRANSITORIAS

Corresponden a las sobretensiones de larga duración (desde ms hasta varios segundos), poco amortiguadas y de frecuencia similar a la de operación.

Para propósitos de coordinación de aislamiento se consideró que la sobretensión temporal representativa tiene la forma de onda de la tensión de corta duración normalizada a frecuencia industrial.

Las sobretensiones suelen ser de origen interno, normalmente originadas por fallas a tierra o pedidas de carga, y menos frecuente, por resonancia a un armónico o fenómenos de resonancia. Esta última causa no se suelen tener en cuenta a la hora de realizar

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cálculos de coordinación de aislamiento, salvo que la configuración de la instalación lo haga necesario.

Para determinar las sobretensiones transitorias representativas se pueden usar procedimientos estadísticos, mediante distribuciones de probabilidad amplitud/duración de las sobretensiones temporales previstas en servicio. Esto requiere de simulaciones con datos históricos de la compañía eléctrica.

De forma simplificada se analizan las sobretensiones que se pueden tener por fallas a tierra y por sobrecargas, tomando como valor representativo el mayor de estos.

6.2.1 FALLAS A TIERRA

Para este análisis se considera que la falla ocurre cuando el sistema está operando a su tensión máxima. El valor de esta sobretensión se obtiene a partir de un factor K de falla a tierra.

U rp=U s . k

IEC-71 suministra valores de este factor entre 1 y 1,5.

Para este análisis tomaremos como factor conservador:

Para el sistema de 60 kV, k = 1,5

Para las sobretensiones causadas por fallas a tierra para sistemas con los neutros aislados el factor de falla que se considera igual a √3. Para estos sistemas la coordinación de aislamiento se puede basar en la sobretensión máxima asumida y la probabilidad de sus amplitudes no necesita ninguna consideración. Por lo tanto

Obteniendo finalmente los siguientes valores:

60 kVFactor de falla a tierra 1,5Sobretensión Representativa (fase-tierra)

63 kV

Tabla 4: Sobretensiones representativas para fallas a tierra

6.2.2 RECHAZO DE CARGA

Otra fuente de sobretensiones temporales es el rechazo de carga que produce sobretensiones que afectan tanto al aislamiento entre las fases como el aislamiento a tierra. Análisis realizados por IEC estiman un valor conservador de 1,25 pu para sistemas similares al de 60 kV. Para los sistemas de media tensión no extensos el valor de rechazo de carga es solo 1,2 pu.

Obteniendo finalmente los siguientes valores:

60 kVFactor de rechazo 1,4Sobretensión Representativa (fase-fase)

102 kV

Sobretensión Representativa (fase-tierra)

59 kV

Tabla 5: Sobretensiones representativas para rechazos de carga

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Tomamos los valores mayores de las tablas 4 y 5 como valores representativos transitorios.

60 kVSobretensión Representativa (fase-fase), Urp:

102 kV

Sobretensión Representativa (fase-tierra), Urp:

63 kV

Tabla 6: Sobretensiones representativas definitivas

6.3 SOBRETENSIONES DE FRENTE LENTO

Son sobretensiones de corta duración y muy amortiguadas, con duraciones de algunas decenas a algunos miles de microsegundos. Su origen se encuentra principalmente en las maniobras de los equipos.

La distribución de probabilidades de las sobretensiones (sin actuación de pararrayos) se caracteriza por:

Valor de la sobretensión con una probabilidad del 2% de ser superado, Ue (fase-tierra)

Desviación estándar para tensiones de tierra y fase.

Valor de truncamiento, Uet (fase tierra) y Upt (fase-fase)

De forma práctica este análisis estadístico de las sobretensiones se realiza por el método de fase-cresta.

El valor máximo previsto de la sobretensión representativa será igual al valor de truncamiento de las sobretensiones.

El reenganche de líneas es la principal causa de generación de sobretensiones de frente lento. La distribución de probabilidad de este tipo de sobretensiones se caracteriza a partir del valor Ue2. Se puede obtener del siguiente grafico de IEC los valores de sobretensión con un 2% de probabilidad superada.

Figura 1: Probabilidad al 2% de sobretensiones por reenganche de línea.

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Considerando la operación normal de nuestro sistema sin resistores de reenganche ni alimentaciones complejas y finalmente sin una compensación mayor al 50% de la potencia de la barra. Obtenemos:

60 kVUe2 3 p.uUet 207 kV

Tabla 7: Valores de truncamiento fase - tierra

Como el procedimiento de coordinación de aislamiento determinista es suficiente para sistemas de distribución en este rango de voltaje y además teniendo en consideración que los pararrayos no suelen limitar las sobretensiones de frente lento, las sobretensiones representativas corresponderán a los valores de truncamiento de las distribuciones de probabilidad. La norma IEC 60071-2 contiene una gráfica que nos permite tener la relación entre los valores anteriormente calculados, y los valores de fase:

60 kVUp2 4,5 p.uUpt 308 kV

Tabla 8: Valores de truncamiento fase - fase

Los valores de tensión representativa los siguientes:.

60 kVValor de truncamiento (fase – fase) 308 kVValor de truncamiento (fase – tierra) 207 kV

Tabla 9: Valores de sobretensiones representativas

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Figura 2: Relación entre Ue2 y Up2

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7. SOBRETENSIONES SOPORTADAS DE COORDINACION (U cw)

La determinación de la sobretensión soportada de coordinación consiste en tomar el valor más bajo de las tensiones que cumplan con el criterio de comportamiento cuando se les somete a las sobretensiones representativas en condiciones de servicio. De acuerdo con la norma IEC diferentes factores tienen que ser utilizados a los previamente calculados voltajes representativos.

Para ello se utiliza el método determinista que consiste en multiplicar la sobretensión representativa por un factor de coordinación Kc.

7.1 SOBRETENSIONES A FRECUENCIA INDUSTRIAL

Para este cálculo la referencia más importante es el voltaje máximo de operación continua.

7.1.1 SOBRETENSIONES TRANSITORIAS

Según lo establecido en el capítulo 3 de la norma IEC 60071-2, el factor Kc es igual a unidad, ya que la tensión soportada de coordinación de corta duración es igual a la sobretensión temporal representativa.

60 kVSobretensión de coordinación (fase-fase)

102 kV

Sobretensión de coordinación (fase-tierra)

63 kV

Tabla 10: Sobretensiones transitorias


La tensión soportada de coordinación se obtiene multiplicando el valor máximo previsto de la sobretensión representativa por el factor de coordinación determinística Kcd.

En nuestro caso, no se ha considerado el uso de pararrayos, debido a que la zona donde se desarrollara el proyecto tiene un nivel isoceraunico nulo.

Es por ello que el factor Kcd tendrá el valor de la unidad:

60 kV K cd U cw=K cd .U rp

Fase - fase 1,0 308 kVFase - tierra 1,0 207kV

Tabla 11: Sobretensiones de frente lento (60 kV)

8. SOBRETENSIONES SOPORTADAS REQUERIDAS (U rw )

La sobretensión soportada requerida se determina teniendo en cuenta los factores que pueden reducir el aislamiento en servicio de forma que se mantengan la tensión soportada de coordinación durante la vida del material en el lugar donde esté instalado. Para ello se deben considerar dos factores de corrección principales:

Factor de corrección asociado a las condiciones atmosféricas Ka

Ka=em( H8150

)

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Donde

H: Altitud sobre el nivel del mar (m). Para el cálculo se toman 1.000 m.

m = Parámetro según tipo de tensión de coordinación.

Factor de seguridad:

Para aislamiento interno Ks = 1,15;

Para aislamiento externo Ks = 1,05.

8.1 SOBRETENSIONES TRANSITORIAS

Para tensiones a frecuencia industrial según norma IEC 60071-2, utilizaremos el factor m=1, obteniendo:

Ka=e1 ( 10008150

)

Ka=1,131

Para la red en 60 kV

Fase - fase

U rw=U cw . K s=102. (1,15 )=117kV (aislamiento interno)

U rw=U cw . K s . Ka=102 . (1,05 ) . (1,13 )=121kV (aislamiento externo)

Fase - tierra

U rw=U cw . K s=63. (1,15 )=72kV (aislamientointerno)

U rw=U cw . K s . Ka=63. (1,05 ) . (1,13 )=75kV (aislamiento externo)


Para estas tensiones utilizaremos la figura 4 la cual nos permite conocer la dependencia del exponente m en las sobretensiones soportadas de coordinación entre fases y respecto a tierra. Con estos valores se procederá a establecer los nuevos valores de Ka.

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Figura 3: Dependencia del exponente m

Obteniendo:

Ucw m Ka

60 kV

(fase – fase) 308 1,0 1,131 (fase – tierra)

207 1,0 1,131

Tabla 12: Valores m y Ka


Fase - fase

U rw=U cw . K s=308 . (1,15 )=354kV (aislamiento interno)


Fase - tierra

U rw=U cw . K s=207. (1,15 )=238kV (aislamientointerno )


9. TENSIONES NORMALIZADAS DE SOPORTE DE IMPULSO Y FRECUENCIA INDUSTRIAL

Para los niveles de voltaje manejados en estos cálculos las tensiones soportadas normalizadas incluyen la tensión a frecuencia industrial y la tensión a impulso tipo rayo, pero no la soportada a impulsos tipo maniobra. En la norma IEC 60071-2 se encuentran los coeficientes de conversión para transformar las tensiones soportadas a impulsos tipo maniobra en tensiones a frecuencia industrial y en impulsos tipo rayo, dichos factores se encuentran en la siguiente figura.

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Figure 4: Standard withstand voltajes

9.1 TENSION DE FRENTE LENTO


Aislamiento externo

246.(0,6+ 2468500

)=155kV (fase fase)

366(0,6+ 36612700

)=230 kV ( fasetierra )

Aislamiento interno

354.(0,5)=177 kV ( fase fase)

238. (0,5 )=119 kV ( fase tierra)

9.2 TENSION DE IMPULSO


Aislamiento externo

366.(1,05+ 3669000 )=399kV ( fase fase)

246 (1 ,05+ 2466000

)=268kV (fase tierra )

Aislamiento interno

354 .(1,1)=389 kV ( fase fase)

238 . (1,1 )=262kV ( fase tierra)

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10. SELECCIÓN DE TENSIONES DE SOPORTE NORMALIZADAS

Con los valores obtenidos en los cálculos anteriores y utilizando los datos suministrados por las tablas de la norma referida anteriormente obtenemos que los valores normalizados son:

Tensión nominal del

sistema

Tensión más elevada para el

material Um

Tensión soportada normalizada de corta duración a

frecuencia industrial

Tensión Soportada normalizada a los impulsos tipo rayo

60 kV 72,5 kV 140 kV 325 kVTabla 13: Tensiones normalizadas

11. CONCLUSIONES

Luego de haber calculado todos los voltajes necesarios para la coordinación de aislamiento podemos considerar que las tensiones normalizadas de corta duración a frecuencia industrial e impulso deben ser respetadas en la selección de equipos. Cualquiera de los equipos a instalarse en la S/E debe contar con los mínimos niveles de aislamiento especificados en la tabla 14 del presente documento.

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12. RESUMEN DE LAS SOBRETENSIONES CALCULADAS EN LA RED DE 60 KV

Subestación Hua-rangal

220/60/10 kV

H275

m.s.n.m

Aislamiento externoAislamiento in-

ternoEntrada de línea Otros equipos

Urw(s)(kV)

Urw(c)(kV)

Urw(s)(kV)

Urw(c)(kV)

Urw(s)(kV)

Urw(c)(kV)

Soportabilidad a fre-cuencia industrial(sobretensiones tem-porales)

Fase-tie-rra

75 268 75 - 72 262

Fase-fa-se

121 399 121 - 117 389

Soportabilidad al im-pulso de maniobra(sobretensiones de frente lento)

Fase-tie-rra

246 155 248 - 238 119

Fase-fa-se

366 230 382 - 354 177

Soportabilidad al im-pulso atmosférico(sobretensiones de frente rápido)

Fase-tie-rra

- - - - - -

Fase-fa-se

- - - - - -

Tabla 14: Resumen de Tensiones calculadas

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