diseño de subestaciones
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Manual de diseño basico de subestacionesTRANSCRIPT
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Teora sobre
Ing. Electricista Hernn Parra Diseo de Subestaciones Elctricas
TEORA SOBRE
DISEO DE SUBESTACIONES
VOLUMEN 2
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CONTENIDO
1. INTRODUCCIN .................................................................................................... 9
1.1. INGENIERA CONCEPTUAL ............................................................................ 10
1.2. INGENIERIA BASICA ......................................................................................... 10
1.3. INGENIERIA DE DETALLE ............................................................................... 11
1.4. DOCUMENTACIN NECESARIA. ................................................................... 11
1.4.1. Civiles ....................................................................................................................... 11
1.4.2. Electromecnicos ...................................................................................................... 12
1.4.3. Elctricos .................................................................................................................. 13
1.5. CONTENIDO DE CADA FUNCIONAL. ............................................................ 14
1.6. CUADERNOS FUNCIONALES Y HOJA DE CABLEADO DE UNA
SUBESTACIN. .................................................................................................... 15
1.6.1. Requerimientos de planos por cuaderno funcional. ................................................. 16
1.6.2. Hojas de cableado ..................................................................................................... 17
2. AISLAMIENTO COMO BASE DEL DISEO .................................................. 19
2.1. AISLAMIENTO ..................................................................................................... 19
2.2. TIPO DE SOBRETENSIONES ............................................................................ 19
2.3. SOBRETENSIONES EN EL DISEO DE LAS SUBESTACIONES .............. 20
2.4. NIVELES DE AISLAMIENTO NOMINALES. ................................................. 20
2.5. COORDINACION DE AISLAMIENTO ............................................................. 22
2.6. DISPOSICION GENERAL DE EQUIPOS ......................................................... 22
3. DISTANCIAS DE DISEO .................................................................................. 24
3.1. DISTANCIAS DIELECTRICAS .......................................................................... 24
3.1.1. Distancias de Fase a tierra. ....................................................................................... 26
3.1.1.1. Distancia fase a tierra para instalaciones a alturas < 1000 msnm y tensiones < 245
kV. ............................................................................................................................ 26
3.1.1.2. Distancia fase a tierra para instalaciones a alturas < 1000 msnm. y tensiones > 230
kV. ............................................................................................................................ 26
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3.1.2. Distancias de Fase a Fase. ........................................................................................ 27
3.1.2.1. Distancia de fase a fase para instalaciones a alturas < 1000 msnm tensiones < 245
kV ............................................................................................................................. 27
3.1.2.2. Distancia de fase a fase para instalaciones a alturas < 1000 msnm tensiones > 245
kV. ............................................................................................................................ 27
3.2. CORRECCIN DE LOS VOLTAJES DE DESCARGA PARA ALTURAS
MAYORES A 1000 msnm DEBIDO A CONDICIONES
METEOROLGICAS. .......................................................................................... 28
3.3. DISTANCIAS A UTILIZAR EN LOS DISEOS EN BASE A LAS
DISTANCIAS DIELECTRICAS .......................................................................... 28
3.3.1. Distancia mnima entre fases para barras rgidas ..................................................... 28
3.3.2. Distancia mnima entre fases para barras tendidas ................................................... 29
3.3.3. Alturas mnimas de las barras sobre el nivel del suelo. ............................................ 29
3.3.4. Altura de las partes energizadas de los equipos. ...................................................... 29
3.3.5. Altura mnima para la llegada de las lneas. ............................................................. 29
3.4. DISTANCIAS DE SEGURIDAD .......................................................................... 29
3.4.1. Distancia de fase a tierra mnima basada en la dimensin fsica de referencia de un
operador. ................................................................................................................... 30
3.4.2. Distancia de seguridad vertical para circulacin de personal ................................... 30
3.4.3. Distancia horizontal para circulacin de personal .................................................... 30
3.4.4. Distancia de seguridad vertical para circulacin de vehculos ................................. 30
3.4.5. Distancia de seguridad horizontal para circulacin de vehculos ............................. 31
3.5. DISTANCIAS DE MANTENIMIENTO .............................................................. 31
4. DIAGRAMA UNIFILAR ...................................................................................... 32
5. SELECCION DE BARRAS .................................................................................. 34
5.1. Parmetros de seleccin ......................................................................................... 34
5.1.1. Ubicacin de las barras. ............................................................................................ 34
5.1.2. Expansin futura de la subestacin. ......................................................................... 34
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5.1.3. Seleccin del conductor. ........................................................................................... 35
5.1.4. Carga del viento. ....................................................................................................... 35
5.1.5. Capacidad del aislador. ............................................................................................. 35
5.1.6. Longitud del vano. .................................................................................................... 35
5.1.7. La flecha y tensin. ................................................................................................... 35
5.1.8. Variaciones de temperatura. ..................................................................................... 36
5.1.9. Derivacin de cargas. ............................................................................................... 36
5.2. CONDICIONES DE DISEO ELECTRICO. .................................................... 36
5.2.1. Capacidad de corriente ............................................................................................. 36
5.2.1.1. Modelo Westinghouse .............................................................................................. 37
5.2.1.1.1. Calor o Potencia generado por efecto Joule. ............................................................ 37
5.2.1.1.2. Potencia Disipada por radiacin Wr ......................................................................... 38
5.2.1.1.3. Potencia Disipada por conveccin Wc ..................................................................... 38
5.2.1.1.4. Corriente mxima a transmitir. ................................................................................. 39
5.2.1.1.5. Resistencia a la temperatura del conductor .............................................................. 40
5.2.1.2. Westinghouse modificado ........................................................................................ 40
5.2.1.3. Modelo del Azimut Solar. ........................................................................................ 41
5.2.1.3.1. Potencia disipada por conveccin ............................................................................ 41
5.2.1.3.2. Potencia disipada por radiacin ................................................................................ 43
5.2.1.3.3. Potencia absorbida por insolacin ............................................................................ 43
5.2.1.3.4. Capacidad de corriente del conductor ...................................................................... 44
5.2.1.4. Criterios para la seleccin definitiva. ....................................................................... 45
5.2.2. Cortocircuito. ............................................................................................................ 46
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5.3. CONDICIONES DE DISEO MECANICO ....................................................... 47
5.3.1. Condiciones de diseo mecnico para Barras Tendidas (flexibles) en condiciones
estticas. ................................................................................................................... 48
5.3.1.1. Flecha mxima ......................................................................................................... 48
5.3.1.1.1. Efecto de las cadenas de aisladores de suspensin sobre la Flecha de los conductores
49
5.3.1.2. Esfuerzo a la rotura en condiciones estticas ........................................................... 51
5.3.1.3. Criterios para seleccin y aprobacin de las barras tendidas. .................................. 52
5.3.1.4. Criterio para el clculo de las tensiones y flechas de tensado. ................................. 52
5.3.1.5. Esfuerzos electromagnticos debido a la corriente de cortocircuito. ....................... 54
5.3.1.5.1. Fuerza de tensin durante el cortocircuito ............................................................... 54
5.3.1.5.2. Ecuacin para obtener . ......................................................................................... 55
5.3.1.5.3. Esfuerzo despus del cortocircuito ........................................................................... 56
5.3.1.5.4. Criterios de seleccin de los conductores herrajes y aisladores. .............................. 56
5.3.2. Criterios para seleccin y aprobacin de las Barras soportadas. .............................. 57
5.3.2.1. Deflexin .................................................................................................................. 57
5.3.2.2. Tipos de montaje de las barras. ................................................................................ 57
5.3.2.3. Deflexin de las barras. ............................................................................................ 57
5.3.2.3.1. Deflexin debido al peso y al viento ........................................................................ 58
5.3.2.3.2. Deflexin debido a los herrajes y bajantes ............................................................... 59
5.3.2.3.3. Deflexin debido a los bajantes ............................................................................... 59
5.3.2.3.4. Criterio de seleccin para la seccin de la barra ...................................................... 60
5.3.2.4. Esfuerzos electromecnicos debido a la corriente de cortocircuito. ......................... 60
5.3.2.4.1. Esfuerzo Esttico. ..................................................................................................... 60
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5.3.2.4.2. Esfuerzo dinmico .................................................................................................... 61
5.3.2.4.3. Esfuerzo flexionante ................................................................................................. 62
5.3.2.4.4. Criterio de seleccin ................................................................................................. 62
5.3.2.4.5. Relacin de esfuerzo dinmico a esfuerzo esttico V. ............................................ 64
5.3.2.4.6. Factor de reenganche Vr. .......................................................................................... 64
5.3.2.4.7. Factor .................................................................................................................... 65
5.3.2.4.8. Factor q .................................................................................................................... 66
6. SERVICIOS AUXILIARES DE CORRIENTE CONTINUA Y ALTERNA ... 67
6.1. SERVICIOS AUXILIARES DE CORRIENTE CONTINUA ........................... 67
6.2. TENSIONES NORMALIZADAS ......................................................................... 67
6.3. DIMENSIONAMIENTO DEL BANCO DE BATERIAS .................................. 68
6.4. TENSION DE ECUALIZACION ......................................................................... 69
6.5. CLCULO DE BANCO DE BATERAS Y CARGADORES
RECTIFICADORES PARA SUBESTACIONES. .............................................. 70
6.6. DIAGRAMA TIPICO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIN EN
CORRIENTE CONTINUA. .................................................................................. 75
7. ENCLAVAMIENTOS ........................................................................................... 77
7.1. BLOQUEOS MECANICOS.................................................................................. 77
7.2. DONDE Y COMO SU UTILIZAN ....................................................................... 77
7.3. PARTES DE UN ENCLAVAMIENTO ............................................................... 78
7.4. TIPOS DE CERRADURAS .................................................................................. 78
7.5. POSICION DE LOS EQUIPOS ............................................................................ 79
7.6. SIMBOLOGIA ....................................................................................................... 79
7.7. FUNCIONAMIENTO DEL ENCLAVAMIENTO MECANICO ..................... 81
7.8. APLICACIN A LOS SECCIONADORES CON MANDO MANUAL .......... 82
7.9. BLOQUEOS ELECTRICOS ................................................................................ 82
7.10. LOGICAS TIPICAS DE ENCLAVAMIENTO .................................................. 82
7.10.1. Desenergizacin de una salida de lnea .................................................................... 82
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7.10.2. Puesta a tierra de la salida de lnea ........................................................................... 84
8. APANTALLAMIENTO CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS ........... 86
8.1. CABLES DE GUARDA ......................................................................................... 86
8.2. PUNTAS FRANKLIN ............................................................................................ 87
8.3. DESCRIPCIN GENERAL DE LA INSTALACIN ....................................... 87
8.3.1. Area de 115 kV y 69 kV. .......................................................................................... 87
8.3.2. Metodologa para dos (2) cables de guarda y cuatro (4) puntas Franklin................. 88
8.3.2.1. Para dos (2) Cables de Guarda. ................................................................................ 88
8.3.2.1.1. Nivel 115 kV. ........................................................................................................... 90
8.3.2.1.2. Nivel 69 kV. ............................................................................................................. 91
8.3.2.2. Proteccin con Cuatro (4) Puntas Franklin. ............................................................. 92
8.3.2.2.1. Para el tramo de Barras de 115 kV : ......................................................................... 94
8.3.2.2.2. Para el tramo de Barras de 69 kV : ........................................................................... 95
8.3.3. Metodologa para una Punta Franklin ...................................................................... 96
9. ISOMTRICO DE CARGAS. ............................................................................ 100
9.1. GENERAL. ........................................................................................................... 100
9.2. TIPOS DE CARGAS............................................................................................ 101
9.2.1. Carga longitudinal .................................................................................................. 101
9.2.2. Carga vertical ......................................................................................................... 101
9.2.3. Carga transversal .................................................................................................... 101
9.3. IDENTIFICACIN DE LAS CARGAS VERTICALES. ................................ 101
9.4. CARGAS LONGITUDINALES. ........................................................................ 102
9.4.1. Ecuaciones para el clculo mecnico del conductor .............................................. 103
9.4.1.1. Tensin mnima ...................................................................................................... 103
9.4.1.2. Ecuacin de cambio de estado ................................................................................ 103
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9.5. CARGAS TRANSVERSALES. .......................................................................... 104
9.6. REPRESENTACIN DE LAS CARGAS. ........................................................ 104
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CAPITULO I ALCANCE DEL DISEO
1. INTRODUCCIN
El proyecto de una subestacin al igual que cualquier otro proyecto requiere de una
serie de definiciones que justifiquen el porque de desarrollo y la inversin a ser
realizada. Es por eso que esta instalacin no escapa al proceso de ingeniera en s.
Este trabajo que se presenta en este documento intenta recoger la experiencia
obtenida a lo largo de 15 aos de experiencia dedicada al diseo de subestaciones
para las industrias elctricas del pas y petrolera. En este sentido se presentan los
lineamientos en los cuales se han basado cada uno de los diseos realizados a lo
largo de la trayectoria profesional y que han servido para desarrollar unas
instalaciones seguras y confiables a satisfaccin de los clientes.
Obviamente existen una serie de recaudos que deben cumplirse a fin de que llegue
a un final seguro el objetivo planteado, estos recaudos no son mas que las etapas
por las cuales ha de pasar el trabajo del ingeniero para que cada uno de los autores
que intervienen en cada una de las etapas pueda comprender lo que el ingeniero de
planificacin y diseo concibi.
Aun cuando son muchas las etapas que intervienen durante el diseo existen tres
grandes grupos que las involucran a todas y son la ingeniera conceptual, la
ingeniera bsica y la ingeniera de detalle. Cabe resaltar que todas estas etapas son
previas a la etapa de construccin de la cual no se hablar en este trabajo pues este
solo trata del diseo en s.
En este sentido se indicar en que consiste cada una de estas etapas.
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1.1. INGENIERA CONCEPTUAL
Es aqu donde se establecen los requerimientos de una instalacin, se hacen los
estudios para determinar su incorporacin al sistema elctrico existente y bajo que
esquema va a funcionar as como los requerimientos de confiabilidad y seguridad
de servicio que deber tener para cumplir con las necesidades del cliente. En esta
etapa se realizan los estudios de factibilidad con el objeto de determinar la
rentabilidad de la instalacin y tambin para establecer los apartados de
presupuestos correspondientes. En esta etapa tambin se decide la ubicacin
optima de la instalacin.
A fin de obtener un aproximado del valor de la instalacin se realizan estimados de
costos con un porcentaje de error muy alto, por lo general se hacen estimados clase
10.
1.2. INGENIERIA BASICA
En esta etapa se plasma en papel los requerimientos de la instalacin. Se obtienen
las partidas de obra con las cuales se elabora el documento de licitacin, se obtiene
la cantidad de equipos mayores necesarios, se elaboran las especificaciones
tcnicas para la compra de los mismos y se realizan los planos referenciales para el
proceso de licitacin.
Entre las actividades que se realizan en esta etapa se encuentran las siguientes:
Elaboracin de los planos de disposicin de equipos y cortes electromecnicos.
- Se define el rea de la subestacin.
- Se ubica la subestacin en forma definitiva.
- Se realiza la procura de los equipos mayores.
- Se elaboran los paquetes de licitacin para las Obras Civiles y
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Electromecnicas.
- Se licita la construccin de la subestacin.
1.3. INGENIERIA DE DETALLE
En esta etapa se realizan las siguientes actividades:
- Evaluacin tcnica de equipos y seleccin del mismo.
- Se elaboran planos con 1as verdaderas dimensiones de los equipos.
- Se corrigen las dimensiones de la ingeniera bsica.
- Se elaboran los planos civiles.
- Se elaboran los planos de detalle.
- Se elaboran los planos funcionales.
- Se compran los equipos menores.
1.4. DOCUMENTACIN NECESARIA.
Entre la documentacin que debe presentarse se encuentran por disciplina los
siguientes:
1.4.1. Civiles
- Disposicin general de Fundaciones.
- Detalles de cada una de las fundaciones.
- Malla de tierra.
- Disposicin de Pistas, canales y ductos.
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- Drenajes.
- Levantamiento topogrfico.
- Curvas modificadas del terreno.
- Detalles de fijacin de cadenas de aisladores.
- Cerca perimetral.
- Puesta a tierra de cercas.
- Arquitectura de la casa de mando.
- Movimiento de tierra.
- Instalaciones elctricas Casa de Mando
- Aguas negras y blancas de la Casa de Mando.
- Detalles y acabados.
- Isomtrico de aguas blancas y negras.
- Aguas de lluvia.
- Memoria de clculo.
1.4.2. Electromecnicos
- Disposici6n general de equipos - Planta.
- Disposici6n general de equipos - Cortes.
- Isomtrico de Cargas.
- Lineamiento de soportes de equipos.
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- Ubicacin de conectores de alta tensin.
- Lista de conectores de alta tensin.
- Apantallamiento con cable de guarda.
- Detalles de fijacin de cadenas de aisladores.
- Herrajes de fijacin del Cable de guarda.
- Detalles de puesta a tierra de equipos y estructuras.
- Lista de conectores de puesta a tierra.
- Iluminacin.
- Disposicin de accionamiento de equipos.
- Disposicin de bajantes de equipos.
- Diagrama Unifilar General.
- Ubicacin de tableros en patio.
- Ubicacin de tableros y equipos en casa de mando.
- Memoria de clculo.
1.4.3. Elctricos
- Funcionales de cada tramo.
- Cableado de cada tramo.
- Funcional de cada tablero.
- Cableado de cada tablero.
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- Cableado de cada equipo.
- Lista de Cables.
- Ruteo de Cables.
1.5. CONTENIDO DE CADA FUNCIONAL.
Los cuadernos funcionales como su nombre lo indica contienen los diagramas de
funcionamiento de cada parte de la subestacin, su presentacin depende de cada
empresa, sin embargo, es recomendable que los mismos contengan como mnimo
la siguiente estructura:
- Portada que identifique a que tramo correspondes los planos funcionales del
cuaderno.
- Plano de Leyenda conteniendo la identificacin de la simbologa presentada en
los diagramas. Aqu tambin se acostumbra indicar tipo y marca del equipo
que se esta identificando con la finalidad de poder identificarlo rpidamente
para su reemplazo en caso de que se dae.
- Diagrama Unifilar. Se refiere a l diagrama del tramo en el cual se identifican
los equipos mayores del mismo.
- Diagrama trifilar. Esta es una representacin del sistema trifsico en donde se
indican los transformadores de corriente y tensin as como la manera en que
su cableado secundario se conecta a los diferentes equipos de medicin,
control y proteccin.
- Mando y control del Interruptor.
- Mando y control del Seccionador.
- Protecciones.
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- Alarmas.
- Distribucin de Polaridades.
- Hojas de cableado
- Lista de cables
1.6. CUADERNOS FUNCIONALES Y HOJA DE CABLEADO DE UNA
SUBESTACIN.
El cuaderno funcional contiene en forma grafica toda la informacin que necesita
el ingeniero que realiza las pruebas de operacin y recepcin de la obra. el
cuaderno funcional se elabora uno por cada tramo, o por equipo que no intervenga
como elemento de cada tramo. en una subestacin se encuentran los siguientes
tramos:
- Tramo de salida de Lnea.
- Tramo de transformacin.
- Tramo de enlace de barras.
- Tramos de llegada de alta tensin a baja tensin.
En una subestacin se pueden encontrar los siguientes cuadernos que no forman
parte de los tramos:
- Servicios auxiliares de corriente alterna y continua.
- Alarmas
- Control y mando.
- Tablero de interfase.
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- Protecciones de lnea.
- Protecciones de transformador.
- Protecciones de barra.
- Celdas de 13.8 kV.
1.6.1. Requerimientos de planos por cuaderno funcional.
A continuacin se presenta una tabla con los requerimientos de planos para cada
tipo de cuaderno funcional, cabe resaltar que esta lista de planos corresponde a una
subestacin de bajo perfil, barra seccionada. Se deber tener presente que por cada
salida de lnea, transformador, salida o llegada de transformador debe existir un
cuaderno funcional..
PO
RT
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IBU
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AR
IDA
DE
S
1 TRAMO SALIDA DE LINEA * * * * * * * * * *
2 TRAMO DE ENLACE * * * * * * * * * *
3 SALIDA A TRANSFORMADOR * * * * * * * * * *
4 TRANSFORMADOR * * * * * * * * * *
5 LLEGADA DE TX A BARRA DE ... * * * * * * * * * *
6 CELDA DE .... * * * * * * * * * *
7 TABLERO SACA * * * * * * * *
8 TABLERO SACC * * * * * * * *
9 TABLERO DE DISTRIBUCIN * * * * *
10 TABLERO DE ALARMAS * * * * * * *
11 TABLERO DE PROTECCIN * * * * * * * * * *
12 TABLERO DE MANDO Y CONTROL * * * * * * * *
HOJAS POR CUADERNO
CUADERNO
Tabla 1.1
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1.6.2. Hojas de cableado
Por cada cuaderno funcional se deben considerar las hojas de cableado (Fig. 1.1),
si los cuadernos permiten a los ingenieros revisar la funcionalidad de la conexin
de los terminales de equipos con conductores, las hojas de cableado permiten que
el instalador del conductor identifique rpidamente la ruta de ubicacin del mismo
as como a donde estarn conectados sus extremos.
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Figura 1.1
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Capitulo II AISLAMIENTO COMO BASE DEL
DISEO
2. AISLAMIENTO COMO BASE DEL DISEO
2.1. AISLAMIENTO
Es el elemento o material de una instalacin que tiene la propiedad de soportar una
sobre tensin sin que se deteriore su rigidez dielctrica.
En una subestacin existen dos tipos de aislamiento:
- Autorrecuperable
Formado por el aire existente entre dos elementos sometidos a una diferencia de
potencial.
- No autorrecuperable
Relacionado con el aislamiento interno de los equipos.
Se denomina autorrecuperable porque al cesar la sobre tensin recuperan sus
caractersticas aislantes.
2.2. TIPO DE SOBRETENSIONES
- Internas debido a:
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Maniobras en los equipos - Fallas en el sistema.
- Externas debido a:
Descargas atmosfricas.
2.3. SOBRETENSIONES EN EL DISEO DE LAS SUBESTACIONES
La rigidez dielctrica de un material puede colapsar por efecto de una sobre
tensin dando origen a la creacin de un arco elctrico, en consecuencia los
equipos, subestaciones o cualquier otro elemento que pueda estar a un potencial
distinto de cero se disea para que soporte un valor mximo de sobre tensin.
Dependiendo de la tensin nominal de operacin de la subestacin o equipo se han
normalizado los valores mximos de sobre tensin que esta puede soportar.
Estos valores se definen de la siguiente manera:
BIL ( Basic Insulation Level )
Nivel bsico de aislamiento para sobre tensiones por descargas atmosfricas,
criterio utilizado para instalaciones con tensiones menores o iguales a 300 kV
BSL ( Basic Switching Level )
Nivel bsico de aislamiento para sobre tensiones por maniobra, criterio utilizado
en instalaciones con tensiones mayores de 300 kV.
2.4. NIVELES DE AISLAMIENTO NOMINALES.
El nivel de aislamiento nominal de una instalacin ser el que indica la Tabla 2.1 y
2.2, segn la tensin nominal, en caso de que la tensin nominal no coincida con
alguno de los valores correspondiente se tomar el valor inmediato superior.
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Tabla 2.1
Nom. kV lnea-lnea E.E.U.U. (kV)- EUROPA (kV)
- Dist. Potencia -
1,2 30 45 -
2,5 - -
2,75 45 60 -
3,6 - - 45
5,0 - - -
5,5 60 75 -
7,2 - - 60
8,7 - - -
9,52 75 95 -
12,0 - - 75
15,0 - - -
15,5 95 110 -
17,5 - 95
23,0 - -
24,0 - 125
25,8 150 -
34,5 - -
36,0 - 170
38,0 200 -
46,0 - -
48,3 250 -
52,0 - 250
69,0 - -
72,2 350 325
92,0 450 -
-
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Tabla 2.2
Nom. kV lnea-lnea E.E.U.U. (kV)- EUROPA (kV)
100,0 - 450
115,0 550 -
123,0 - 550
138,0 650 -
145,0 - 650
161,0 750 -
170,0 - 750
196,0 900 -
230,0 1050 -
245,0 - 1050
287,0 1300 -
300,0 - 1175
345,0 1550 -
360,0 1610 -
420,0 - 1550
525,0 - 1675
750,0 - 2350
Caracterstica de la onda de impulso para los ensayos de sobre tensiones 1,2 / 50 microsegundos.
2.5. COORDINACION DE AISLAMIENTO
El estudio para mantener los niveles de sobre tensin por debajo de los niveles
bsicos de aislamientos se denomina Coordinacin de aislamiento.
2.6. DISPOSICION GENERAL DE EQUIPOS
En una subestacin elctrica el material aislante entre los elementos que estn a
diferente potencial es el aire. La rigidez dielctrica del aire puede romperse cuando
el gradiente de potencial alcanza valores elevados. Por lo tanto el diseo de la
-
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disposicin de los equipos en una subestacin esta orientado a la distribucin de
estos, de las barras de distribucin de energa o de cualquier elemento, de manera
que las distancias entre ellos sean suficiente para que no se produzcan entre s
arqueos al aparecer una sobre tensin. Ver figura 2.1.
Figura 2.1
-
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Capitulo III DISTANCIAS DE DISEO
3. DISTANCIAS DE DISEO
Son las distancias que permiten definir la separacin que debe existir entre los
diferentes componentes que conforman una subestacin.
Se distinguen tres (3) tipos de distancias que son
- Distancias dielctricas o por descarga disruptiva.
- Distancias de Seguridad o circulacin.
- Distancias de Mantenimiento.
3.1. DISTANCIAS DIELECTRICAS
Son aquellas que nos permiten garantizar un perfecto aislamiento entre dos
cuerpos bajo tensin o un cuerpo bajo tensin y uno a tierra.
Como el medio aislante entre los elementos energizados de una subestacin,
distinto a aquellos tales como los arrollados de los transformadores, es el aire, las
distancias dielctricas estn relacionadas con la mxima sobre tensin a la cual
pueden estar sometidos los cuerpos y la probabilidad de la ruptura de la rigidez
dielctrica de este medio aislante.
Las distancias dielctricas o de descarga disruptiva son las mnimas que garantizan
-
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que no habr un arqueo, sin embargo las mismas no son suficientes para
dimensionar una subestacin, ellas deben incrementarse, el incremento necesario
se indica mas adelante.
Las distancias dielctricas son:
- Distancia de fase a tierra.
- Distancia de fase a fase.
Para obtener el valor de las distancias dielctricas para una subestacin, se debe
conocer la tensin critica de descarga por impulso al rayo o maniobra ( Critical
Voltage Flashover CVF ) y el nivel bsico de aislamiento de la instalacin por
impulso al rayo o maniobra ( Basic Insulating Level BIL o el Basic Switching
Level BSL ).
La tensin critica de descarga es aquella a la cual se tienen descargas en el 50 % de
las aplicaciones.
El nivel bsico de aislamiento es aquella tensin que dara un 10 % de
probabilidad de ocurrencia de una descarga. Esta tensin es menor que la CVF.
La relacin existente entre las tensiones de descarga y el nivel bsico de
aislamiento viene expresado por las siguientes ecuaciones:
Por impulso al rayo.
3,11VCFBIL rr Ec. 3.1
donde es la desviacin estndar referida a VCF y su valor recomendado es 3 %.
Por impulso de maniobras.
3,11VCFBSL m Ec. 3.2
-
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donde = 6 %
3.1.1. Distancias de Fase a tierra.
3.1.1.1. Distancia fase a tierra para instalaciones a alturas < 1000 msnm y tensiones <
245 kV.
Para estas tensiones, las distancias se obtienen por la siguiente expresin:
k500
VFCd rtierrafase
Ec.3.3
d fase-tierra = Distancia entre electrodos [m]
k = Factor de separacin entre electrodos.
k tiene el valor de 1 para la configuracin punta plano.
3.1.1.2. Distancia fase a tierra para instalaciones a alturas < 1000 msnm. y tensiones >
230 kV.
6,0
m dk500VCF (Ecuacin emprica de L. Paris) Ec. 3.4
Donde:
667,1
m
k500
VCFd
Ec. 3.5
o
tierrafase
m
d
81
k3400VCF ( Ecuacin emprica de Gallet y Leroy). Ec. 3.6
Donde
-
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mm
VCFk3400
VCF8d
Ec. 3.7
Siempre que se cumpla 2 m < d < 15 m.
Los factores k para este caso son:
Tabla 3.1
Configuracin Factor k
- varilla-varilla 1,4
- Conductores de fase exterior a torre o prtico 1,35
- Conductor de fase interior a ventana 1,2
- Fase-Fase 1,5
- Punta-Plano 1,0
3.1.2. Distancias de Fase a Fase.
3.1.2.1. Distancia de fase a fase para instalaciones a alturas < 1000 msnm tensiones <
245 kV
Por impulso al rayo
k500
VCFd rtierrafase
Ec. 3.8
k961,0
BILVCFr
Ec. 3.9
3.1.2.2. Distancia de fase a fase para instalaciones a alturas < 1000 msnm tensiones >
245 kV.
Por impulso de maniobras
-
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mm
VCFk3400
VCF8d
Ec. 3.10
3.2. CORRECCIN DE LOS VOLTAJES DE DESCARGA PARA ALTURAS
MAYORES A 1000 msnm DEBIDO A CONDICIONES
METEOROLGICAS.
Son definidas por el papel de trabajo No. 23 de la IEC, como las distancias
necesarias para mantener las partes vivas fuera del alcance del personal que opera
o realiza labores de mantenimiento en la subestacin.
3.3. DISTANCIAS A UTILIZAR EN LOS DISEOS EN BASE A LAS
DISTANCIAS DIELECTRICAS
- Distancia mnima entre fases para barras rgidas
- Distancia mnima entre fases para barras tendidas
- Altura mnima de las barras sobre el nivel del suelo
- Altura mnima de las partes energizadas de los equipos
- Altura mnima para la llegada de lneas
3.3.1. Distancia mnima entre fases para barras rgidas
Tabla 3.2
Clase de aislamiento Distancia entre centros de fase
24 kV o menor. 1,67 * d fase-tierra
desde 34,5 hasta 115 kV 1,6 * d fase-tierra
230 kV 1,5 * d fase-tierra
400 kV 1,8 * d fase-tierra
-
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3.3.2. Distancia mnima entre fases para barras tendidas
Tabla 3.3
Clase de aislamiento kV Distancia entre centros de fase.
hasta 230 kV 1,8 a 2,0 d fase-tierra
400 kV 2,0 a 2,25 d fase-tierra
3.3.3. Alturas mnimas de las barras sobre el nivel del suelo.
kV0125,00,5h ( m ). Ec.3.11
3.3.4. Altura de las partes energizadas de los equipos.
kV0105,025,2h ( m ). Ec. 3.12
3.3.5. Altura mnima para la llegada de las lneas.
kV006,00,5h ( m ). Ec. 3.13
3.4. DISTANCIAS DE SEGURIDAD
Son definidas por el papel de trabajo No. 23 de la IEC, como las distancias
necesarias para mantener las partes vivas fuera del alcance del personal que opera
o realiza labores de mantenimiento en la subestacin.
Esta compuesto por las siguientes distancias:
- Distancia de fase a tierra mnima basada en la dimensin fsica de referencia
de un operador.
- Distancia horizontal para circulacin de personal.
- Distancia de seguridad vertical para circulacin de vehculos
-
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- Distancia de seguridad horizontal para circulacin de vehculos.
3.4.1. Distancia de fase a tierra mnima basada en la dimensin fsica de referencia
de un operador.
Esta distancia consiste en la distancia de fase a tierra mas la talla patrn de un
operador la cual es:
- Mxima altura de un hombre = 1, 75 m
- Mxima longitud de los brazos abiertos = 1,75 m
- Mxima altura de un hombre con los brazos en alto = 2,25 m
3.4.2. Distancia de seguridad vertical para circulacin de personal
tierrafased25,2h Ec. 3.14
Adicionalmente se debe cumplir que:
- Los partes bajo tensin no deben tener una altura inferior a 3 m.
- Ningn equipo debe estar colocado a una altura inferior de 2,25 m en caso
contrario deber usarse barrera de proteccin.
3.4.3. Distancia horizontal para circulacin de personal
Cuando las partes vivas estn por debajo de las alturas mnimas especificadas por
la seccin anterior se deber usar barreras de proteccin las cuales en ningn caso
estarn a menos de la distancia de fase a tierra ms 0,90 m.
3.4.4. Distancia de seguridad vertical para circulacin de vehculos
Estar en funcin de la altura de los vehculos que circularan por la instalacin mas
las distancia de seguridad vertical de circulacin de personal.
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3.4.5. Distancia de seguridad horizontal para circulacin de vehculos
Se consideran 0,7 m mayor que las distancias verticales.
3.5. DISTANCIAS DE MANTENIMIENTO
Son aquellas que hay que considerar para que el operario pueda realizar un
mantenimiento de los equipos bajo las condiciones de seguridad adecuada.
Se deben establecer para ello zonas de trabajo alrededor de los equipos las cuales
definirn la distancia necesaria para la labor de mantenimiento.
-
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Capitulo IV DIAGRAMA UNIFILAR
4. DIAGRAMA UNIFILAR
Es una representacin esquemtica de la configuracin de la subestacin donde se
representan la posicin relativa de los diferentes equipos entre si, las protecciones,
y las mediciones. Figura 4.1.
Para interpretar a los diagramas unifilares se debe considerar el pas de origen del
plano, ya que cada equipo dependiendo del pas tiene su simbologa, aunque por lo
general se acostumbra colocar una leyenda de identificacin.
No obstante, la simbologa mas usada es la correspondiente a las Normas ANSI.
Cuando el plano contiene mucha informacin se acostumbra a elaborar unifilares
segn las funciones que se quieren reflejar en l, de esta manera se tiene unifilar de
protecciones, unifilar de mediciones, unifilar de operaciones.
En Venezuela aparte de utilizar la simbologa ANSI, se ha normalizado que los
planos deben identificar a los equipos en funcin de la Nomenclatura de OPSIS a
fin identificar la funcin que tendr el equipo dentro de la instalacin.
A continuacin se muestra la simbologa tpica utilizada en un diagrama unifilar.
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Figura 4.1
-
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Capitulo V DIMENSIONAMIENTO DE BARRAS
5. SELECCION DE BARRAS
5.1. Parmetros de seleccin
El diseo de las barra principales en subestaciones involucra muchos factores,
entre los que se incluyen:
5.1.1. Ubicacin de las barras.
La ubicacin de las barras en la subestacin y su proximidad a otros equipos juega
un papel fundamental en el tamao de una S/E. Los conductores flexibles usados
en la construccin de las barras principales en ciertas ocasiones se mueven por
causa de cortocircuitos o elongan debido a condiciones de temperatura por lo que
deben dimensionarse convenientemente para prevenir el contacto con otros
equipos o infringir las distancias mnimas de seguridad.
El mantenimiento de equipos e izamiento de los mismos tambin deben ser
considerados en la ubicacin de las barras y las estructuras de apoyo.
5.1.2. Expansin futura de la subestacin.
Las barras principales normalmente requieren que las estructuras de apoyo sean lo
suficientemente robustas puesto que ellas pueden limitar la expansin futura si no
son adecuadamente dimensionadas.
-
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5.1.3. Seleccin del conductor.
El conductor seleccionado debe estar basado en la ampacidad, propiedades fsicas
y costo del mismo. Los conductores deben seleccionarse tal que ellos tengan la
capacidad de resistir incrementos de cargas transitorias y fallas del sistema sin
sufrir dao por excesos de temperatura.
5.1.4. Carga del viento.
La carga del viento puede aumentar la flecha del conductor y la tensin
apreciablemente. La prctica usual es considerar al Cdigo Nacional de Seguridad
Elctrica como un mnimo. Las condiciones locales se deben tomar en
consideracin, dado que ellas pueden obligar el uso de criterios de carga ms
severo.
5.1.5. Capacidad del aislador.
Los aisladores deben ser seleccionados basado en las condiciones de carga
mximas esperadas. La carga mxima no debe exceder el 40 por ciento de la
capacidad del aislador.
5.1.6. Longitud del vano.
La longitud del vano influye en la flecha del conductor. Cuando la longitud del
vano aumenta, la flecha aumenta si se mantiene la misma tensin. Para limitar la
flecha, las tensiones pueden aumentarse.
5.1.7. La flecha y tensin mecnica.
Las barras principales son colocadas usualmente sobre otros equipos de la
subestacin. La rotura del conductor podra producir daos o paralizacin de otros
equipos. Para prevenir la rotura y minimizar el tamao de la estructura de apoyo,
los conductores deben instalarse a un % de la tensin mecnica de ruptura que
-
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garantice su correcta operacin por el tiempo que dure la vida til de la S/E. La
flecha puede aumentar debido a la desviacin de las estructuras de apoyo.
5.1.8. Variaciones de temperatura.
Las variaciones de temperatura causan cambios en las longitudes del conductor.
Cuando la temperatura del conductor aumenta, la flecha aumenta y la tensin
disminuye.
5.1.9. Derivacin de cargas.
Las derivaciones de barras que deban conectarse a otras barras o equipos debern
tener tensiones limitadas para prever daos a equipos. Las derivaciones son
usualmente instalados con conductores flexibles.
Una vez seleccionado el material y el calibre del o los conductores que sern
utilizados como barra de la subestacin se debe verificar si los mismos satisfacen
las condiciones de diseo tanto elctrico como mecnico.
5.2. CONDICIONES DE DISEO ELECTRICO.
Valido tanto para barras tendidas como barras soportadas.
- Capacidad de corriente
- Cortocircuito
5.2.1. Capacidad de corriente
Existen cuatro (4) modelos matemticos para la verificacin de la capacidad
trmica en rgimen permanente de los conductores desnudos, en este trabajo solo
se presentan tres (3). Todos se basan en el principio de que la temperatura de un
conductor se mantiene constante siempre y cuando se cumpla que, la potencia
absorbida o generada por el conductor sea igual a la potencia disipada por l al
-
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medio que lo rodea.
Estos modelos son los siguientes:
Westinghouse
Referencia Transmission and Distribution Reference Book.
Westinghouse Modificado ( Incluye el efecto de insolacin solar).
Referencia Transmission and Distribution Reference Book.
Azimuth Solar
Murray W. Davis, IEEE, Vol. 89, Marzo 1970.
5.2.1.1. Modelo Westinghouse
Partiendo de la ecuacin general de balance trmico para este modelo la cual es:
AWcWrPg Ec. 5.1
A continuacin se describen cada uno de los trminos de la ecuacin general
anterior.
5.2.1.1.1. Calor o Potencia generado por efecto Joule.
Es el calor generado por el propio conductor debido al efecto Joule su valor se
obtiene mediante la siguiente ecuacin:
)Tc(ac
2
g RIP Ec. 5.2
Donde:
Pg [W/pulg] = Potencia generada por el conductor debido al efecto Joule
I [A] = Corriente en el conductor
-
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Rac(Tc) [ /pulg ] = Resistencia del conductor a la temperatura Tc.
5.2.1.1.2. Potencia Disipada por radiacin Wr
Es la emisin de calor de un cuerpo al medio ambiente que lo rodea de manera
natural, siendo el nico elemento facilitador entre ambos la diferencia de
temperatura existente entre ellos. La temperatura de un conductor puede verse
incrementada desproporcionadamente y causar graves daos al mismo, si el calor
generado por efecto joule rompe el equilibrio trmico entre ellos y excede la
capacidad de radiacin, dado que la energa calrica queda acumulada dentro en la
masa del conductor pueda incrementarse esta causando la fusin del mismo o el
recocido en las mordazas de fijacin. El valor de este calor disipado se calcula
mediante la siguiente ecuacin:
4a4c12 273T273Te108,36Wr Ec. 5.3.
Donde,
Wr [w/pulg2] = Potencia disipada por el conductor por radiacin
E = Emisividad de la superficie del conductor
Tc [ C ] = Temperatura de operacin del conductor
Ta [ C ] = Temperatura ambiente.
5.2.1.1.3. Potencia Disipada por conveccin Wc
En este caso el calor es extrado del conductor por medio de la accin de las
molculas del aire fro que circula en el medio ambiente, las cuales arrastran a las
molculas ms cercanas a la superficie del conductor que se encuentran en un
desorden molecular debido a que la temperatura en esta regin es mayor.
Este calor disipado se calcula mediante la siguiente ecuacin:
-
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T
Tm
d
vP0128,0
Wc123,0
Ec. 5.4.
Wc [ W/pulg2 ] = Potencia disipada en el conductor por conveccin
d [ pulg ] = dimetro del conductor
v [ pie/s ] = velocidad del viento ( Valor promedio 2,2 km/h )
T [ C ] = Variacin de Temperatura
273
2
TcTaTm Ec. 5.5
Tm [ K ] = Temperatura media del conductor
18336
h
10
1P Ec. 5.6
h [ m ] = Altura del conductor sobre el nivel del mar
P [ atm ] = Presin atmosfrica
L
1LdA ( L1 expresado en pulgadas y L en pulg ) Ec. 5.7.
A [ pulg2/pulg ] = rea superficial del conductor por unidad de longitud.
5.2.1.1.4. Corriente mxima a transmitir.
La corriente mxima que puede transmitir un conductor viene expresada por la
ecuacin:
ARac
WrWcI
TC
Ec. 5.8.
-
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Como resultado importante del anlisis de estas ecuaciones se puede concluir que
la capacidad de corriente de un conductor desnudo depende nica y
exclusivamente de su rea superficial y su propia resistencia.
5.2.1.1.5. Resistencia a la temperatura del conductor
Para determinar el valor de la resistencia del conductor a cualquier temperatura Tc
conocida una temperatura de referencia t, se utiliza la siguiente ecuacin.
tTc1RacRac 20TC Ec. 5.9.
Rac(t) [ / pulg ] = Resistencia alterna del conductor a t C
= 0,00393 para el cobre y 0,00403 para el Aluminio
La emisividad tiene los siguientes Valores
Tabla 5.1.
Emisividad
Material Cond. nuevo Cond. viejo CADAFE
interiores
CADAFE
exteriores
Cobre 0,40 0,70 0,4 0,6
Aluminio y aleaciones 0,38 0,90 0,35 0,5
ACSR 0,45 0,90 - -
5.2.1.2. Westinghouse modificado
Este modelo contiene los mismos trminos que la ecuacin anterior pero toma en
cuenta el efecto del calentamiento del conductor debido al sol, es decir
encontramos aqu el termino de insolacin solar que viene expresado por la
siguiente ecuacin:
3
I 104516,6saW Ec. 5.10.
s [ mW / cm2 ] = Intensidad de radiacin solar (Normalizado CADAFE 110 )
-
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a = Coeficiente de absorcin solar
Wi [ W/pulg2 ] = Potencia absorbida por insolacin
Con este nuevo termino la ecuacin queda de la siguiente manera:
A2
WiWcWrPg
Ec. 5.11.
La corriente que puede transportar el conductor es
ARac
2
WiWrWc
ITC
Ec. 5.12.
5.2.1.3. Modelo del Azimut Solar.
( Recomendado por CADAFE en sus Normas )
Este modelo contempla el ngulo con que incide el viento sobre el conductor en el
clculo de la potencia disipada por conveccin e insolacin.
5.2.1.3.1. Potencia disipada por conveccin
Pf ReCAsTaTcWc Ec. 5.13.
52
f 1072
TaTc1042,2
Ec. 5.14.
n
180SenBAAs
Ec. 5.15
85 106,92
TaTc1032,1Vf
Ec. 5.16.
-
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Vf
10dvRe
3
Ec. 5.17.
d
1dr Ec. 5.18.
donde;
Wc [ W/m ] = Potencia disipada por conveccin por unidad de longitud
f [ W / m * C ] = Conductividad trmica del aire en la superficie del conductor
Vf [ m2 / s ] = Viscosidad cinemtica de la pelcula del aire que circunda el
conductor
v [ m/s ] = velocidad del viento
d [mm] = Dimetro externo del conductor
d1 [ mm ] = Dimetro de los hilos que forman el conductor
Re = Nmero de Reynolds
[ Sex ] = Angulo de incidencia del aire sobre el conductor
A, B, n = Constantes asociadas al ngulo
r = Rugosidad de la superficie del conductor
C, p = Constantes asociadas a r y Re
Los valores de A, B y n son los indicados en la tabla 5.2.
-
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Tabla 5.2
Angulo A B n
0 24 0,42 0,68 1,08
24 < 90 0,42 0,58 0,90
Los valores del Nmero de Reynolds son los mostrados en la tabla 5.3.
Tabla 5.3
Superficie Re r C p
Lisa Circular cilndrica 100 Re 5.000
0 0,550 0,485
5.000 < Re 50.000 0,130 0,650
Trenzado y comp. A favor del Viento 100 Re 3.000
< 0,1
0,570 0,485
3.000 < Re 50.000 0,094 0,710
Trenzado y comp. en contra del Viento 100 Re 3.000
< 0,1
0,570 0,500
3.000 < Re 50.000 0,042 0,825
Trenzado a favor del Viento 100 Re 3.000 > 0,1 0,570 0,485
3.000 < Re 50.000 0,051 0,79
5.2.1.3.2. Potencia disipada por radiacin
344 10d273Ta273TceWr Ec. 5.19.
Wr [ W / m ] = Potencia disipada por radiacin por unidad de longitud
[ W/m2 * K ] = Constante de Stefans Boltzman ( Su valor es 5,67 x 10 -8 )
5.2.1.3.3. Potencia absorbida por insolacin
3107,12AfsenaRsWi Ec. 5.20.
180ZcZscos
180
Hccosarccos Ec. 5.21.
-
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Wi [ W/m ] = Potencia absorbida por insolacin por unidad de longitud
Rs [ W/m2 ] = Radiacin solar directa
[ Sex ] = Angulo de inclinacin del sol con respecto al eje del conductor
Hc [ Sex ] = Angulo de la altura del sol sobre el horizonte.
Zs [ Sex ] = Azimuth del sol
Zc [ Sex ] = Azimuth del conductor
f = Factor multiplicador de correccin debido a la altura del
conductor
a = Coeficiente de absorcin solar.
A [ pulg2/pulg ] = rea superficial del conductor
Azimuth es el ngulo de un plano vertical fijo con otro que pasa por un punto de la
esfera celeste.
5.2.1.3.4. Capacidad de corriente del conductor
TCRac
WiWrWcI
Ec. 5.22.
Rac debe estar expresada en Ohmios/m
Los valores de Rs son los indicados en la tabla 5.4.
-
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Tabla 5.4.
Tipo de Atmsfera Hc Rs
Clara 0 Hc 90 -200,36 + 291,95 * Ln Hc
Industrial
Hc < 5 0
5 Hc 30 61,06 + 17,44 * Hc
30 < Hc < 70 462,4 * e0,01 * Hc
70 Hc 671,29 + 1,99 * Hc
El valor de f en funcin de la altura sobre el nivel del mar se puede obtener de la
tabla 5.5.
Tabla 5.5.
h f
0 h 1.524 1,00
1.524 < h 3.048 1,15
3.048 < h 4.572 1,25
4.572 < h 1,3
5.2.1.4. Criterios para la seleccin definitiva.
Los criterios a seguir indistintamente del modelo que se tome deben ser (basados
en las Normas de CADAFE) los siguientes:
En exteriores.
- Temperatura ambiente mxima 40 C
En instalaciones interiores.
- Temperatura ambiente mxima 40 C, 50 C, 60 C
Aumento de temperatura mxima de diseo:
-
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- En condiciones normales 30 C y 35 C en el punto mas caliente.
- En condiciones de emergencia 70 C
5.2.2. Cortocircuito.
La seccin de las barras se calculan por cortocircuito a fin de verificar que el
aumento sbito de temperatura del conductor, no exceda la temperatura de fusin
del mismo.
Si bien estos valores se pueden encontrar muy rpidamente en tablas resulta
conveniente verificar las mismas matemticamente, para ello pueden considerarse
las siguiente ecuaciones:
234T
234Tlg0297,0t
S
I
1
2
2
para el cobre. Ec. 5.23.
228T
228Tlg0125,0t
S
I
1
2
2
para el aluminio. Ec. 5.24.
Donde
I [A] = Corriente de cortocircuito.
S [CM] = Seccin del conductor en circular mil.
t [s] = tiempo de duracin del cortocircuito.
T2 ; T1 = Temperatura en C.
-
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TCAP
10tttc
Tako
TmkoLn
/IA4
Ec. 5.25.
Donde,
A [ mm2 ] = Seccin transversal del conductor
I [ kA ] = Corriente de cortocircuito
Tm [ C ] = Mxima temperatura permisible en el conductor
Ta [ C ] = Temperatura ambiente
o [ C ] = Coeficiente de resistividad trmica del conductor a 0 C
t [ C ] = Coeficiente de resistividad trmica del conductor a t C
t [ *m2/cm ] = Resistividad del conductor a t C
ko [ C-1 ] = 1 / o
tc [ s ] = Tiempo de duracin de la corriente de cortocircuito
( Por lo general se toma 500 ms )
TCAP [ Joule/cm3 * C ] = Constante trmica del material
Por lo general se selecciona la temperatura del conductor de manera que no se
produzcan recocido en el rea que une al conductor con la mordaza o conector de
fijacin. No obstante existen autores que recomiendan considerar 300 C para
conductores desnudos.
5.3. CONDICIONES DE DISEO MECANICO
En una subestacin pueden existir dos tipos de barras conductoras a saber tendidas
-
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(flexibles) y soportadas (rgidas) por lo que es necesario establecer para cada una
las condiciones que rigen su diseo. El tipo de barra conductora depender del uso
que la misma tendr en la subestacin, en este sentido encontramos que para vanos
y alturas grandes, interconexin entre equipos y bajantes es til el uso de barras
tendidas, mientras que en vanos cortos y alturas pequeas el uso de barras
soportadas son las mas convenientes.
En este sentido los requerimientos de cada una reviste una importancia muy grande
puesto que de ello depende la seguridad y el buen funcionamiento de la
instalacin.
5.3.1. Condiciones de diseo mecnico para Barras Tendidas (flexibles) en
condiciones estticas.
Para las barras tendidas se deben hacer los clculos para verificar el cumplimiento
de los siguientes parmetros:
- Flecha mxima
- Esfuerzo a la rotura en condiciones estticas
- Esfuerzos electromagnticos debido a la corriente de cortocircuito.
5.3.1.1. Flecha mxima
La flecha del conductor en subestaciones se limita a ciertos valores a fin de
impedir que las elongaciones producto de los cambios ambientales de temperatura
puedan causar que las distancias mnimas de diseo sean excedidas.
Las Normas de CADAFE exigen que se cumplan los siguientes criterios para las
flechas:
2 % del vano L para L 20 m
-
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3 % del vano L para 20 m < L 80 m
5 % del vano L para 80 m L
5.3.1.1.1. Efecto de las cadenas de aisladores de suspensin sobre la Flecha de los
conductores
Aunque en la practica venezolana no se estila colocar cadenas de suspensin
terminales para conductores tendidos, en este caso se usan cadenas de amarre para
este arreglo es conveniente conocer cual es el efecto que tiene este arreglo sobre la
flecha de los conductores. Las ecuaciones que nos permiten obtener la variacin de
la flecha en este arreglo son las siguientes:
fconductorfcadenasftotal
Pcadena
TcC1 Ec. 5.26
Pconductor
TcC2 Ec. 5.27.
lAB
2
L
C2
C1dBC Ec. 5.28.
1
C1
dBCcoshC1hBC Ec. 5.29.
C1
dBCsenhC1lABlAC Ec. 5.30.
C1
lACsenh 1C1dAC
Ec. 5.31.
1
C1
dACcoshC1hAC Ec. 5.32.
-
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hBChACfcadena Ec. 5.33.
Donde:
C1 [m] = Constante de la Catenaria de la cadena de aisladores.
C2 [m] = Constante de la catenaria del conductor.
dAC [m] = Distancia horizontal del punto de fijacin de la cadena hasta el
centro de la catenaria del mismo.
dBC [m] = Distancia horizontal del punto de fijacin del conductor a la
cadena al centro de la catenaria de la misma.
dBD [m] = Distancia horizontal del punto de fijacin del conductor a la
cadena al centro de la catenaria del conductor.
lAB [m] = Longitud de la cadena.
lAC [m] = Longitud del arco desde el punto de fijacin de la cadena hasta
en centro de la catenaria de la misma.
hAC [m] = Flecha del punto de fijacin de la cadena hasta el centro de la
catenaria de la misma.
hAC [m] = Flecha del punto de fijacin del conductor a la cadena hasta el
centro de la catenaria de dicha cadena.
fcadena [m] = flecha de la cadena de aisladores.
fconductor [m] = flecha del conductor.
Tc [N] = Tensin horizontal del conductor.
Pcadena [N/m] = Peso de la cadena de aisladores.
-
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Pconductor [N/m] = Peso del conductor.
L [m] = Longitud del vano
La flecha del conductor se tomar en base a un vano igual a L-2 LAB
5.3.1.2. Esfuerzo a la rotura en condiciones estticas
Las barras tendidas son sometidas constantemente a esfuerzos mecnicos producto
de los cambios de temperatura del medio ambiente. As el conductor tendr su
mxima elongacin o flecha mxima cuando la temperatura sea mxima y la flecha
ser mnima cuando la temperatura sea mnima. Paralelo a estas variaciones de
flecha se produce una tensin en el conductor que puede, si llega a ser mayor al
esfuerzo que este puede soportar, lograr la rotura del mismo. En consecuencia se
debe verificar que este esfuerzo pueda ser tolerado por el conductor seleccionado
sin sufrir dao alguno.
Para la verificacin de este esfuerzo se puede utilizar con mucha aproximacin la
ecuacin del cambio de estado, cuya formula matemtica viene expresada de la
siguiente manera:
024
Ex x A Pfx dTfTiifx Ex A
Ti 24
Ex x A Pix dTf
222
2
223
Ec. 5.34.
Donde:
A = Seccin del conductor en mm
d = Vano horizontal
= Coeficiente de dilatacin lneal del conductor en C-1
E = Mdulo de elasticidad del conductor en kg/mm
-
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Esta ecuacin no contempla el peso de las cadenas, sin embargo, nos permite
evaluar el orden de la fuerza producida.
5.3.1.3. Criterios para seleccin y aprobacin de las barras tendidas.
En el clculo de las tensiones y flechas en condiciones estticas se deber tomar en
cuenta lo siguiente:
La flecha mxima no deber exceder los valores indicados en el punto 4.3.1.1 para
la mxima temperatura de la zona.
La mxima tensin a la cual puede llegar el conductor ser el 80 % de la tensin de
diseo del prtico, con un viento de 120 km/h y a la temperatura mnima de la
zona o en su defecto al 50 % de la carga de rotura del conductor.
5.3.1.4. Criterio para el clculo de las tensiones y flechas de tensado.
Estas se calcularn considerando las siguientes hiptesis:
Hiptesis A:
Temperatura mnima., viento mximo 120 km/h, 50 % tensin de ruptura mxima
y modulo de elasticidad final.
Hiptesis B:
Temperatura media segn la ubicacin geogrfica de la subestacin, sin viento,
tensin inicial calculada mediante la ecuacin indicada en los prrafos siguientes y
la cual no debe exceder el 30 % de la carga de ruptura del conductor.
Hiptesis C:
Temperatura mnima segn la ubicacin geogrfica de la subestacin, sin viento,
tensin mxima final igual al 25 % de la carga de ruptura.
-
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Se deber tener en consideracin todas las cargas verticales aplicadas a la barra.
Las condiciones bajo las cuales se determina el mximo esfuerzo en condiciones
estticas son las siguientes:
Condiciones iniciales para la flecha mxima:
- Viento 0 km/h
- Temperatura mxima segn la ubicacin geogrfica o en su defecto una
temperatura de diseo de 70 C.
Tensin mnima.
La tensin mnima se obtendr de la ecuacin de la flecha la cual viene dada por la
siguiente expresin:
Tmnima*8
L2wiFmxima
Ec. 5.35.
wi [ kg/m ] = Peso compuesto del conductor
wi = w + Pbajantes
w = Peso del conductor
Pbajantes [ kg/m ] = Peso de los bajantes por unidad de longitud del vano
Pbajantes 0,5 + 0,01 * d Ec. 5.36.
d [ mm ] = dimetro del bajante.
Tmnima [ kg ] = Tensin mnima del conductor
Condiciones finales:
- Viento mximo de 120 km/h
-
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- Temperatura mnima de la zona en C.
Al evaluar la ecuacin de estado una vez aplicados los criterios anteriores se debe
cumplir que la tensin mxima obtenida no debe exceder el 50 % de la carga de
rotura del conductor.
5.3.1.5. Esfuerzos electromagnticos debido a la corriente de cortocircuito.
Durante un cortocircuito se producen esfuerzos no permanentes que pueden
ocasionar dependiendo de su magnitud, que una falla momentnea se transforme
en una falla permanente. Esto se puede producir por la rotura de los aisladores que
soportan el conductor , por rotura de las mordazas de fijacin, por colapso de la
estructura que soporta los conductores e inclusive por la rotura misma del
conductor. Razn suficiente para determinar el esfuerzo que dicha corriente
produce a fin de dimensionar correctamente los equipos mencionados
anteriormente.
La publicacin 865 de la IEC proporciona las bases de diseo para la
determinacin de estas fuerzas dinmicas para vanos de hasta 20 m.
Las ecuaciones son las siguientes:
5.3.1.5.1. Fuerza de tensin durante el cortocircuito
) 1 (Fest Ft Ec. 5.37.
1
2
m'gn
F'o13 Ec. 5.38.
a
I2cc3
0,15F'o
Ec. 5.39.
-
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EA
100
LS10
1
400
F3est
m'2
L
Ec. 5.40.
Donde:
Ft = Fuerza de tensin sobre el conductor en Newton
Fest = Tensin esttica del conductor.
, , = Factores para la fuerza de tensin en conductores flexibles.
gn = Aceleracin de gravedad expresado en 2s
m
m = masa del conductor en kg.
Fo = Fuerza en la fase mas externa del barraje principal producida por la corriente
de cortocircuito en N/m
Icc3 = Corriente de cortocircuito trifsica expresada en kA.
a = Distancia entre centro de lnea entre conductores expresada en m.
L = Vano del conductor en m.
S = Constante de resorte de dos soportes de conductores expresado en N/mm.
E = Modulo de Young expresado en N/mm2.
A = Seccin del conductor expresada en mm2.
Si no es conocida S se puede usar con mucha aproximacin el valor de 100 N/mm.
5.3.1.5.2. Ecuacin para obtener .
La ecuacin del cual se puede obtener el valor de conocidos y es la
-
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siguiente:
Ec. 5.41.
5.3.1.5.3. Esfuerzo despus del cortocircuito
Este esfuerzo se considera solo si se cumple la siguiente ecuacin:
0,6m'gn
F'o
Ec. 5.42
En este caso la ecuacin a aplicar ser la siguiente:
m'gn
F'o41FestFf
Siempre que 2
m'gn
F'o
Ec. 5.43
81FestFf Siempre que 2m'gn
F'o
Ec. 5.44
Donde Fest es la tensin esttica del conductor a t C.
5.3.1.5.4. Criterios de seleccin de los conductores herrajes y aisladores.
El conductor utilizado en el clculo podr seleccionarse siempre y cuando el
esfuerzo producido por la corriente de cortocircuito dividido entre la seccin sea
menor al esfuerzo de rotura del material de que esta compuesto el conductor.
Los herrajes debern disearse para soportar 1,5 veces Ft o 1 Ff.
En el caso de las cadenas la capacidad de las mismas no ser menor al mayor de
los esfuerzos producidos durante el cortocircuito.
-
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5.3.2. Criterios para seleccin y aprobacin de las Barras soportadas.
En el caso de las barras soportadas se deben verificar los siguientes parmetros:
- Deflexin
- Esfuerzos electromecnicos debido a la corriente de cortocircuito.
5.3.2.1. Deflexin
La deflexin en las barras soportadas es una deformacin no permanente ( si estn
bien diseadas ) producto de su propio peso. Si la seccin de las barras no es
seleccionada correctamente, al ser instaladas sobre los aisladores soportes pueden
doblarse de tal forma que las barras jams recuperaran su forma inicial, incluso su
seccin puede sufrir deformacin. Por otro lado si el momento resistente de ellas (
entindase como momento resistente al ejercido por el cuerpo para contrarrestar
los momentos deformantes ) es menor que el momento deformante la barra se
puede partir ocasionando una falla severa en la subestacin.
La norma ANSI/IEEE Std 605-1987 denominada Guide for Design of
Substations Rigid-Bus Structures proporciona las bases de diseo para las
barras soportadas.
5.3.2.2. Tipos de montaje de las barras.
Las barras en una subestacin pueden montarse de tres (3) formas diferentes,
simplemente apoyada ( condicin ideal ), apoyada en un extremo y rgidamente fija
en el otro y rgidamente apoyada en ambos extremos, la mayor deflexin se
obtiene con la primera condicin, por lo que esta es la condicin mas severa y
recomendable cuando se quieren obtener deflexiones con un factor de seguridad,
no obstante es el que proporciona las secciones mas grandes y por lo tanto un poco
mas costosas.
5.3.2.3. Deflexin de las barras.
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La deflexin de una barra tendr dos componentes, una deflexin debido al peso
propio de la barra y viento si es necesario considerarlo y una deflexin debido a los
herrajes. En el caso particular del calculo de las deflexiones se considera que la
barra estar simplemente apoyada.
5.3.2.3.1. Deflexin debido al peso y al viento
Esta deflexin viene expresada por la siguiente ecuacin:
IE384
L3barraP5
barra
Ec. 5.45.
Donde:
barra [ m ] = Deflexin
Pbarra [ kg ] = Peso total de la barra por unidad de longitud
E [ kg/m2 ] = Modulo de elasticidad del material
I [ m4 ] = Momento de Inercia de la barra
El efecto del viento ha de considerarse solo para alturas mayores de 6 m y en la
ecuacin de la deflexin deber sustituirse el peso de la barra por el peso
compuesto el cual resulta de aplicar la siguiente ecuacin:
PPP2viento
2barra Ec. 5.46.
siendo
v2dL075,0Pviento Ec. 5.47.
Donde:
Pviento [ kg ] = Fuerza del viento sobre el conductor
-
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d [m] = Dimetro del conductor
v [m/s] = Velocidad del viento.
5.3.2.3.2. Deflexin debido a los herrajes y bajantes
Esta deflexin viene expresada por la siguiente ecuacin:
vLJE27
b2aa3b2abaPherrajesherrajes
Ec. 5.48.
donde:
herrajes [m] = Deflexin que producen los herrajes.
P herrajes [kg] = Peso de los herrajes.
a [m] = Distancia desde el extremo izquierdo de la barra hasta el herraje
b [m] = Distancia desde el extremo derecho de la barra hasta el herraje
5.3.2.3.3. Deflexin debido a los bajantes
Esta deflexin viene expresada por la siguiente ecuacin:
vLJE27
b2aa3b2abaPbajantesbajantes
Ec. 5.49.
Pbajantes 0,5 + 0,01 x d Ec. 5.50.
donde:
bajantes [m] = Deflexin que produce cada bajante.
Pbajante [ kg/m ] = Peso de los bajantes por unidad de longitud del vano
-
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d [m] = dimetro del conductor
5.3.2.3.4. Criterio de seleccin para la seccin de la barra
La barra podr ser seleccionada si se cumple la condicin dada a continuacin:
150
Li Ec. 5.51.
i = barra, herrajes, bajantes
5.3.2.4. Esfuerzos electromecnicos debido a la corriente de cortocircuito.
La seleccin del conductor debido a los esfuerzos electromagnticos, consiste en
verificar si el momento resistente de la barra se mantiene por arriba del momento
flexionante que produce la corriente de cortocircuito. El momento flexionante se
obtiene en base a los siguientes esfuerzos:
Esfuerzo Esttico.
Esfuerzo Dinmico.
Momento flexionante o deformante.
5.3.2.4.1. Esfuerzo Esttico.
La ecuacin bsica para el clculo del esfuerzo esttico viene dada por la siguiente
expresin:
dff
LvI2ccb
22,0Festatica Ec. 5.52.
donde:
F esttica [N] = Fuerza esttica
-
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b = Factor de asimetra ( se toma 1,8 2 )
Icc = Valor eficaz de la corriente de cortocircuito
Lv = Longitud del vano
df-f = Distancia entre centros de barras
5.3.2.4.2. Esfuerzo dinmico
El esfuerzo dinmico se calcula a partir del esfuerzo esttico mediante la siguiente
formula:
VrVFestaticaFdinamica Ec. 5.53
donde:
V= Relacin de esfuerzo dinmico a esfuerzo esttico para la barra.
Vr = Factor de reenganche.
Estos factores pueden determinarse usando las graficas que aparecen en la Norma
IEC 865, en funcin del cociente de la frecuencia mecnica fundamental y la
frecuencia del sistema (60 Hertz).
La frecuencia mecnica fundamental se calcula mediante la siguiente expresin:
Lm
JE
2f
4v
2
L
Ec. 5.54.
donde:
= Factor que depende del tipo de apoyo
E [N/m] = Modulo de elasticidad
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J [m4] = Momento de inercia
m' [kg/m] = Masa por unidad de longitud
Lv [m] = Longitud del vano
5.3.2.4.3. Momento flexionante o deformante
El esfuerzo flexionante es aquel que se presenta en la barra como consecuencia de
la corriente de cortocircuito y es el que tiende a deformarla. La expresin para
obtener este momento es la siguiente:
Z8
LFdinamicam
Ec. 5.55
Donde:
m [N/mm2] = Esfuerzo deformante.
L [m] = vano de la barra
= Factor que depende del tipo de soporte.
F dinmica [N/m] = Esfuerzo dinmico
Z [mm2] = Modulo de seccin.
5.3.2.4.4. Criterio de seleccin
Para determinar si la barra soporta el esfuerzo flexionante sin partirse se debe
cumplir la siguiente ecuacin:
Prqm Ec. 5.56.
Donde:
Pr [N/mm2] = Punto de ruptura de la barra Modulo de elasticidad o de Young.
-
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q = Factor que depende de la seccin transversal de la barra.
-
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5.3.2.4.5. Relacin de esfuerzo dinmico a esfuerzo esttico V.
Grfico 5.1
5.3.2.4.6. Factor de reenganche Vr.
Grfico 5.2
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5.3.2.4.7. Factor
Grafico 5.3
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5.3.2.4.8. Factor q
Grafico 5.4.
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Capitulo VI SERVICIOS AUXILIARES DE
CORRIENTE CONTINUA Y ALTERNA
6. SERVICIOS AUXILIARES DE CORRIENTE CONTINUA
Y ALTERNA
6.1. SERVICIOS AUXILIARES DE CORRIENTE CONTINUA
Los servicios auxiliares en corriente continua consisten en un sistema alterno el
cual permite seguir alimentando a las cargas de la subestacin aun cuando la
alimentacin en alterna haya fallado.
Este sistema esta compuesto dependiendo de la importancia de la subestacin por
dos Cargadores de bateras y un Banco de bateras.
En instalaciones de importancia como las de Edelca el grupo de bateras esta
compuesto por dos bancos.
Como elemento de distribucin se encuentran los tableros SACC los cuales se
encargan de distribuir mediante circuitos la alimentacin a cada una de las cargas.
En las figuras anexas se pueden observar dos diagramas unifilares cada uno con un
criterio diferente.
6.2. TENSIONES NORMALIZADAS
Las tensiones para los servicios auxiliares estn normalizadas por cada empresa de
-
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electricidad como se indica a continuacin
Circuitos de fuerza y control
CADAFE 110 Vcc
PDVSA 125 Vcc
EDELCA 125 Vcc
Circuitos de Comunicacin
48 Vcc
Existen en el mercado celdas para bateras de Niquel Cadmio, Plomo cido, sin
embargo las mas utilizadas son las ultimas.
La alimentacin de los cargadores puede ser:
208/120 Vca 3
480/277 Vca 3
440 Vca 3
220 Vca 2
6.3. DIMENSIONAMIENTO DEL BANCO DE BATERIAS
El Banco de Bateras debe dimensionarse para las condiciones de carga
permanente y repentinas que puedan aparecer dentro de un periodo de tiempo de 8
horas, el cual es el tiempo durante el cual ya debe estar restablecido el sistema de
corriente alterna.
Es necesario para estimar el tamao del banco conocer los valores de consumo de
estos equipos que se conectan al sistema para realizar un dimensionamiento que
-
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satisfaga las condiciones indicadas anteriormente.
Entre las cargas que por lo general se alimentan en corriente continua se
encuentran las siguientes:
Cargas permanentes
- Rels estticos y numricos.
- Alumbrado de emergencia.
- Equipos de medicin.
- Rels de supervisin.
Cargas eventuales
- Bobinas de disparo y cierre durante su actuacin.
Se considera una condicin de consumo bastante severa durante un periodo de
tiempo muy corto ( aprox. 1 s ) el despeje de una falla en barra, ya que una bobina
de disparo por lo general consume 5 amperios durante su actuacin, si se tiene una
barra con cinco (5) interruptores el consumo en ese tiempo ser de 25 amperios.
6.4. TENSION DE ECUALIZACION
Adicionalmente se debe verificar que el nmero de celdas satisfaga el nivel de
voltaje adecuado, por lo general se considera como base el valor de 2 Voltios por
celda para estimar el numero total de ellas, tambin se debe tener presente la
mxima tensin permitida por los equipos ya que para cargar las bateras despus
de una operacin de emergencia la tensin del cargador debe colocarse a 2,33 V *
el nmero de celdas para reponer la energa consumida, a este proceso se le llama
Ecualizacin.
A continuacin se expone un ejemplo para clarificar las ideas anteriormente
-
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planteadas.
6.5. CLCULO DE BANCO DE BATERAS Y CARGADORES
RECTIFICADORES PARA SUBESTACIONES.
Determinar el banco de bateras y los correspondientes cargadores rectificadores
para una subestacin que posee el siguiente equipamiento y comportamiento de
consumo:
1.- Carga Permanente.
1.a.- Dos tableros de proteccin de lnea conteniendo los siguientes equipos (
el numero entre parntesis es el consumo permanente en Vatios de cada
equipo):
1.a.1.- Dos rels 21 ( 30 c/u.).
1.a.2.- Un rel 67N (4).
1.a.3.- Un rel 79 (0).
1.a.4.- Un rel 25 (12).
Consumo permanente de cada tablero 76 W.
1.b.- Dos tableros de proteccin de Transformador.
1.b.1.- Un rel 87T (20).
1.c.- Dos tableros de proteccin de hilo piloto (30 c/u).
1.d.- Un tablero de Alarmas (540).
1.e.- Dos tablero de control y mando.
1.e.1.- Rels semforos (16 * 5 W = 80 W)
-
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1.f.- Dos transformadores de Potencia (500 c/u).
1.g.- Dos tableros de Onda Portadora (60 c/u).
2.- Carga eventual.
2.a.- Cuatro interruptores de Potencia en Sf6 (625 c/u).
2.b.- Iluminacin de Emergencia (10 Bombillos * 60 W c/u = 600 W).
3.- Demanda en condiciones normales de operacin.
Para efectos del Clculo de la demanda en condiciones normales de
operacin se debe considerar la carga que debern suplir las bateras al
sistema estando los cargadores desconectados al mismo y su valor deber
estar expresado en amperios.
En el caso de la subestacin en estudio tenemos el total de la carga
consumida:
Potencia = 2*a+2*b+2*c+d+2*e+2*f+2*g = 2072 W........................A
Corriente consumida = 2072 W / 110 Vcc(1) = 18.8 A 19 A ..........B
(1) Se considera para este estudio que el sistema funciona con 110 Vcc.
4.- Demanda en condiciones eventuales.
Esta carga es aquella que se presenta en el sistema debido a una alteracin
de la condicin normal. Para efectos de determinarla debe considerarse la
operacin del sistema que requiere mayor cantidad de carga la cual puede
ser el disparo de los interruptores asociados a una barra en el caso de
arreglos de subestaciones tipo barra seccionada o de dos interruptores
para arreglo de