1 Adición de aisladores tipo Line Post J. Castañeda A. Martínez A. Martínez 2013/07/120 Emisión Inicial J. Mahecha J. Mahecha A. Martínez 2013/03/15
Rev. Descripción Diseñó Revisó Aprobó Fecha
DISEÑO LÍNEA DE TRANSMISIÓN A 115 kV ENTRE S.E. OCOA Y LAS S.E. GUAMAL Y SAN FERNANDO
COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO
Diseñó: Revisó: Documento Nº.: Rev.
J. Mahecha J. Mahecha 1Fecha: Fecha: Fecha: Codigo cliente: Rev Cliente.
2013/03/15 2013/03/15 2013/03/15
Aprobó:
A. Martínez 750-LTM-010
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TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN .............................................................................................................. 3
2. OBJETIVO............................................................................................................................ 4
3. CRITERIOS BÁSICOS DE DISEÑO ............................................................................. 5
4. DATOS BÁSICOS ............................................................................................................. 7
4.1. DATOS DE LAS LÍNEAS Y DEL SISTEMA ........................................................... 7
4.2. DATOS METEOROLÓGICOS ................................................................................... 7
4.3. CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA .................................................................. 7
4.4. ESTRUCTURAS .............................................................................................................. 8
4.5. AISLADORES ................................................................................................................. 8
5. METODOLOGÍA PARA LA COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO ............... 10
5.1. AISLAMIENTO A FRECUENCIA INDUSTRIAL ................................................. 10
5.2. AISLAMIENTO FRENTE A DESCARGAS ATMOSFÉRICAS .......................... 13
5.2.1. Determinación de la distancia de fuga ................................................... 13
5.2.2. Cálculo del voltaje crítico de flameo inverso ....................................... 14
6. Distancias de seguridad............................................................................................. 17
7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................................... 19
8. DOCUMENTACIÓN DE REFERENCIA .................................................................... 21
ANEXO 1. MAPA DE LA TEMPERATURA MÁXIMA PROMEDIO DE LA
REPÚBLICA DE COLOMBIA..................................................................................................... 22
ANEXO 2. MAPA DE HUMEDAD RELATIVA DE LA REPÚBLICA DE COLOMBIA
........................................................................................................................................................... 24
ANEXO 3. MAPA DE NIVELES CERÁUNICOS DE LA REPÚBLICA DE COLOMBIA
........................................................................................................................................................... 26
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1. INTRODUCCIÓN
En este documento contiene el estudio de coordinación de aislamiento de la línea
de transmisión a 115 kV entre la subestación Ocoa en el municipio de Villavicencio
y las subestaciones Guamal y San Fernando ECP, en el municipio de Guamal en el
departamento del Meta, que hace parte del plan de mitigación de la demanda no
atendida por falla simple en el sistema de 115 kV, hacia el sur del departamento en
la zona Ariari, de la Electrificadora del Meta S.A.
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2. OBJETIVO
El presente documento tiene por objetivo presentar la metodología y resultados de
la coordinación de aislamiento de la línea de transmisión a 115 kV, del proyecto
anteriormente mencionado.
El diseño de aislamiento tiene como objetivo definir las siguientes características de
la línea:
- Número de aisladores por cadena
- Distancias de aislamiento
- Distancias mínimas de fuga
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3. CRITERIOS BÁSICOS DE DISEÑO
• Sobretensiones a frecuencia industrial y por descargas atmosféricas.
Debido a que el voltaje máximo del sistema para la línea se ubica en el rango I
según la norma IEC 60071-1 (1 kV <Um ≤ 245 kV), se analizan las distancias
eléctricas en términos de su soportabilidad ante impulsos de frente rápido (tipo
rayo) y de frecuencia industrial (Ver recuadro a continuación):
• Nivel ceráunico: De acuerdo al mapa de niveles ceráunicos para Colombia según
la NTC-4552.
• La densidad de descargas a tierra se calculará de acuerdo a la metodología
planteada en la Norma Técnica Colombia NTC 4552-2.
• Tipo y dimensiones típicas de las estructuras previstas para el proyecto.
• Aisladores estándar tipo campana y Line Post para zonas con presencia de
cultivos de palma.
• Conductor y cable de guarda definidos para el proyecto (Ver Numeral 4.3).
• Nivel de contaminación I (ligero) según Norma IEC-60815, que corresponde a
una distancia de fuga específica mínima de 16 mm/kV (Ver Numeral 5.2.1).
• Corrección de niveles de aislamiento según las condiciones atmosféricas propias
del proyecto (humedad, temperatura y densidad relativa).
• Criterio de comportamiento de la línea ante descargas atmosféricas:
Para el nivel de tensión de 115 kV, no hay regulación en torno a la exigencia de
determinado número de salidas de las líneas por descargas atmosféricas (No.
Salidas/100 km-año). Sin embargo, considerando las altas resistividades de los
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terrenos de instalación de la línea (referirse al documento No. 750-LTM-006
Informe Medidas de Resistividad), se propone dejar un valor de máximo 10 fallas
por 100 km de línea al año.
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4. DATOS BÁSICOS
4.1. DATOS DE LAS LÍNEAS Y DEL SISTEMA
Para el cálculo del área del cable de guarda a utilizar en la línea se tuvo en cuenta
la siguiente fórmula dada en la Norma IEEE 80 - 2000:
CARACTERÍSTICA VALOR
Tensión nominal fase–fase, Vn f-f, en kV 115
Máxima tensión de servicio fase-fase, Vmax f-f, en KV 123
Frecuencia nominal, en Hz 60
Altura sobre el nivel del mar, en m 467
Nivel de contaminación (Norma IEC 60815) Ligero
4.2. DATOS METEOROLÓGICOS
A continuación se relacionan los parámetros relevantes para la coordinación de
aislamiento:
CARACTERÍSTICA VALOR
Nivel ceráunico (días tormenta / año) 120 (*)
Humedad relativa (%) 85 (*)
Temperatura promedio (°C) 28 (*)
(*) Ver Anexos
4.3. CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA
El conductor de fase existente y el cable de guarda seleccionado tienen las
siguientes características principales:
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CARACTERÍSTICA CONDUCTOR DE FASE CABLES DE GUARDA
Tipo ACSR OPGW
Calibre 605 kCM - Peacock 113 mm2
Cantidad subconductores 1 1
Diámetro (mm) 24.21 14
Peso unitario (kg/km) 1161 547
Tensión rotura (kg) 9773 7944
4.4. ESTRUCTURAS
Para los cálculos del aislamiento se consideraron estructuras metálicas de acero
galvanizado y estructuras tipo poste para doble circuito, con un cable de guarda.
4.5. AISLADORES
Para las estructuras de suspensión y retención se utilizan los mismos tipos de
aisladores, esto es, aisladores estándar de porcelana o vidrio templado en forma de
campana, con las siguientes características:
CARACTERÍSTICA
TIPO ESTÁNDAR
CADENAS DE
SUSPENSIÓN
CADENAS DE
RETENCIÓN
Tipo Suspensión disco cuenca
y bola
Suspensión disco cuenca
y bola
Material Porcelana o vidrio
templado
Porcelana o vidrio
templado
Diámetro D (mm) 254 254
Espaciamiento S (mm) 146 146
Distancia mínima de fuga
(mm) 292 292
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a) Aislador tipo estándar b) Aislador tipo Line Post
Para el caso particular de las estructuras tipo poste, a instalar en las zonas con
presencia de cultivos de palma, se utilizarán aisladores Line Post cuyas dimensiones
deberán garantizar el cumplimiento de las distancias eléctricas calculadas en este
documento.
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5. METODOLOGÍA PARA LA COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO A continuación se presenta una breve descripción de la metodología de cálculo
considerada para la ejecución del diseño de coordinación de aislamiento de la línea
de transmisión.
5.1. AISLAMIENTO A FRECUENCIA INDUSTRIAL
Se seguirá la metodología recomendada por el EPRI, Referencia 5:
V60HzF-N = VmáxF-N * Fs * Fy * Fden * Fh (kVrms) (1)
Donde:
V60HzF-N = Sobrevoltaje de 60 Hz
Vmáx F-N = Voltaje máximo de operación Fase – Neutro
Vmax F-N = 71 kV
Fs = Factor de sobre voltaje por tensiones temporales. Debido a que el
sistema se considera sólidamente aterrizado.
Fs = 1.4 (acorde con el capítulo 10 de la referencia 5)
Fy = Factor de contaminación y mantenimiento
Fy = 1.1 (acorde con el capítulo 10 de la referencia 5)
Fden = Factor de densidad del aire
Fden = 1 / densidad relativa del aire
Fh = Factor por humedad (ver Figuras A10.1.2. y A10.1.3)
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Densidad Relativa: 0.93
Fden = 1/0.93
Fden = 1.06
Fh = Factor por humedad (ver Figuras A10.1.2. y A10.1.3)
Fh = 0.878 (para 28°C de temperatura promedio y 85% de humedad relativa del aire)
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Reemplazando en (1) tenemos:
V60HzF-N = 103 kV
Con este valor se obtiene de la Gráfica No. 1 de esta memoria la distancia mínima
en aire, correspondiente al voltaje de soporte en húmedo, para aisladores estándar
de diámetro 254 mm (10") y paso de 146 mm por campana.
Dist. mín. en aire para sobrevoltaje de baja frecuencia. = 45 cm
Distancias mínimas en aire para sobrevoltajes de baja frecuencia, por medio de las
cuales se obtienen las distancias de separación conductor-estructura en condición
de viento máximo, considerando el ángulo de balanceo por deflexión.
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5.2. AISLAMIENTO FRENTE A DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
A continuación se realiza el cálculo de sobrevoltaje producido por descargas
atmosféricas y de su distancia de aislamiento en aire, en función de la resistencia
de puesta a tierra de la estructura o estructuras que reciben la descarga.
Dado el carácter probabilístico del comportamiento de las magnitudes de las
descargas atmosféricas y su caída sobre la línea, para la determinación de los
niveles de sobrevoltaje debido a las descargas atmosféricas, se tienen en cuenta los
modelos de estructuras, longitudes de vanos, niveles de tensión y niveles
ceráunicos, con los cuales, mediante la definición y determinación de los
parámetros de las líneas y con la longitud de los aisladores apropiados, en función
de la resistencia de puesta a tierra, se definirá la tensión de flameo para las
descargas atmosféricas y garantizando un nivel de salidas aceptable (menos de
cinco (5) salidas por 100 km/año) para la línea.
5.2.1. Determinación de la distancia de fuga
Por estar localizada la línea de transmisión Ocoa – Guamal-San Fernando en áreas
sin industrias, una baja densidad de casas, sometida a vientos y/o lluvias frecuentes,
áreas agrícolas y montañosas, se consideró un nivel liviano de contaminación
ambiental, al que le corresponde una “distancia nominal de fuga específica mínima
(Kf)” de 16 mm por kV (ver Tabla 1 – Recommended Creepage Distances de la
norma IEC 71-2, 1996-12).
Dfmin = Kf * VF-Fmáx * Kd, donde:
Dfmin = Distancia de fuga mínima nominal en mm
Kf = Distancia de fuga específica mínima nominal
KF = 16 mm/kV
VF-Fmáx = 123 kV
Kd = Factor de corrección que depende del diámetro de las aletas de
los aisladores
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Para la constante Kd, se toma como referencia un aislador tipo estándar de
254 mm (10”) de diámetro y 146 mm (5¾”) de paso.
Entonces:
Kd = 1 (para diámetro de aisladores menor a 300 mm)
Reemplazando:
Dfmin = 1968 mm
5.2.2. Cálculo del voltaje crítico de flameo inverso
Para el caso del nivel de contaminación liviano, con una distancia de fuga mínima
calculada de 1968 mm, teniendo presente que la distancia de fuga de un aislador
tipo estándar es de 292 mm, le corresponde una cantidad de aisladores de
7 unidades, así:
Por lo tanto:
W = longitud del aislamiento, correspondiente a 7 aisladores. Sin embargo,
para ser consecuentes con el aislamiento comúnmente utilizado para este tipo de
líneas de transmisión, se dejan 8 unidades aisladoras.
W = 0,146 m x 8 = 1,1680 m
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A continuación se presenta el cálculo del voltaje crítico de flameo inverso CFO (por
sus siglas en ingles) con la longitud de aislamiento calculada anteriormente:
CFO = (400 + 710/t 0.75) x W, donde:
CFO = voltaje de flameo en kV
t = tiempo de flameo en µs
t = 6 µs
W = longitud del aislamiento
W = 1,1680 m
Por lo tanto, el valor del voltaje crítico de flameo, CFO es:
CFO = 684 kV
A continuación se presenta el número de unidades de aisladores para suspensión y
el CFO (Voltaje crítico de flameo) normalizado, junto con la distancia de fuga total:
N° DE UNIDADES (Aislador de 292 mm de
dist. de fuga y 146 mm de paso)
para cadenas de suspensión
CFO*
(kV)
Distancia
de fuga
(mm)
8 780 2336
*CFO: Voltaje impulsivo de flameo con una probabilidad del 50%
Acorde con norma ANSI C29.1
Como se observa en la anterior Tabla, se tiene una distancia de fuga mayor a la
mínima requerida para cada caso, según lo mostrado en el Numeral 5.2.1.
Para determinar la longitud del espacio en aire se realizaron los cálculos partiendo
de la distancia de paso de cada unidad aisladora y el número de aisladores por
cadena, antes indicadas. Considerando una distancia de paso de 146 mm por cada
unidad, se tiene:
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Distancia de arco en seco con aislador de
146 mm de paso
(mm)
1168
Finalmente, se anota que para las cadenas de retención se dejan 9 unidades
aisladoras, ya que para ellas se acostumbra dejar un aislador de más, con el fin de
prever acercamientos debidos a la curvatura que puede presentarse en las mismas
por el peso en su posición horizontal.
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6. DISTANCIAS DE SEGURIDAD
Las distancias de seguridad son de obligatoria aplicación entre conductores de
líneas de transmisión y cualquier otro tipo de infraestructura o elemento en
cercanías de la línea como redes, edificaciones o estructuras en general, pasos
vehiculares o peatonales, nivel del terreno, etc. Así, se deberán respetar las
distancias de seguridad horizontal y vertical a mantener entre conductores de las
líneas y elementos físicos existentes a lo largo de su trazado, según lo establecido
en el ARTÍCULO 13°. “DISTANCIAS DE SEGURIDAD” del Reglamento Técnico de
Instalaciones Eléctricas - RETIE.
Distancias mínimas de seguridad en metros para
diferentes lugares y situaciones
Tipo de área o cruce [m]
Distancia mínima al suelo en cruces
con carreteras, calles, callejones, zonas
peatonales, áreas sujetas a tráfico
vehicular
6.1
Distancia mínima al suelo desde líneas
que recorren avenidas, carreteras y
calles
6.1
Distancia mínima al suelo en bosques,
arbustos, áreas cultivadas, pastos,
huertos, etc.
6.1
Distancia mínima al suelo en cruces
con ferrocarriles sin electrificar o
funiculares.
8.6
Distancia vertical en cruce con ríos,
canales navegables o flotantes
adecuados para embarcaciones con
altura superior a 2 m y menor de 7m
10.6
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Distancias mínimas de seguridad en metros para
diferentes lugares y situaciones
Tipo de área o cruce [m]
Distancia vertical en cruce con ríos,
canales navegables o flotantes no
adecuados para embarcaciones con
altura mayor a 2 m
5.6
Distancia vertical al piso en cruce por
campos deportivos abiertos 12
Distancia horizontal en cruce por
campos deportivos abiertos 7
Tabla 1. Distancias de seguridad a sitios en el terreno
Distancias verticales mínimas con líneas de diferentes
tensiones en metros
Descripción [m]
Líneas eléctricas a 115/110 kV 2.2
Líneas eléctricas a 66 kV 1.9
Líneas eléctricas a 57,5 kV 1.8
Líneas eléctricas a 44/34,5/33 kV 1.7
Líneas eléctricas a 13,8/13,2/11,4/7,6 kV 1.7
Líneas eléctricas <1 kV 1.7
Líneas de Comunicaciones 2.3
Tabla 2. Distancias de seguridad en cruce con líneas de diferentes tensiones
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7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
De acuerdo con los resultados obtenidos, se recomienda adoptar los siguientes
parámetros de diseño electromecánico:
Para sobrevoltajes por baja frecuencia:
V 60Hz = 450 mm
Distancias mínimas en aire para sobrevoltajes de baja frecuencia, por medio de las
cuales se obtienen las distancias de separación conductor – estructura, en
condiciones de viento máximo, considerando el ángulo de balanceo por deflexión.
Para descargas atmosféricas:
Distancia de arco en seco
(mm)
Distancia de fuga
(mm)
1168 2336
Longitud del espacio en aire para sobrevoltajes por descargas atmosféricas, por
medio de la cual se obtiene la distancia conductor – estructura sin viento y
considerando el ángulo de balanceo por deflexión.
En la siguiente tabla se muestra un resumen de los parámetros obtenidos, los
cuales deben ser cumplidos tanto por las cadenas de aisladores como por los
aisladores tipo Line Post:
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RESUMEN DE PARÁMETROS
Nro. Aisl.
en
Suspensión
Nro. Aisl.
en
Retención
CFO
(kV)
Voltaje a
frecuencia
industrial (kV)
Distancia de
aislamiento para
baja frecuencia
(mm)
Distancia de arco
en seco para
descargas
atmosféricas
(mm)
Distancia
de fuga
(mm)
8 9 780 103 450 1168 2336
En el “750-LT1-007 - Plano de verificación de distancias eléctricas”, se muestran las
distancias eléctricas para las estructuras de suspensión y retención de las líneas
asociadas al proyecto.
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8. DOCUMENTACIÓN DE REFERENCIA
1- Principles of Insulation Design For Overhead Transmission Line.
NGK Technical Note No. TN – 680
April 26, 1968
2- Estimating Lighting Performance of Transmission Lines.
J.M. Clayton, F-S. Young, IEEE Transactions, Pág. 1102 Nov./64
3- International Electrotechnical Commission
- Publication 71-1 Insulation Coordination – Part 1: Definitions, principles and
rules 1993-12
- Publication 71-2 Insulation Coordination – Part 2: Application Guide 1996 -
12
4- Subestaciones de alta y extra alta tensión
Mejía Villegas S.A. Ingenieros Consultores
HMV Ingenieros
Segunda Edición
2003
5- Transmission Line Reference Book
34.5 kV and Above
Second Edition
Electric Power Research Institute EPRI
3412 Hillview, Palo Alto, California
1982
6- RETIE – Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas
Resolución No. 1294 Agosto 06 de 2008
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ANEXO 1. MAPA DE TEMPERATURA MÁXIMA PROMEDIO DE LA REPÚBLICA DE
COLOMBIA
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Zona del proyecto
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ANEXO 2. MAPA DE HUMEDAD RELATIVA DE LA REPÚBLICA DE COLOMBIA
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Zona del proyecto
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ANEXO 3. MAPA DE NIVELES CERÁUNICOS DE LA REPÚBLICA DE COLOMBIA
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Mapa de niveles ceráunicos para Colombia del Anexo A.5, de la Norma Técnica Colombiana
NTC 4552-1
Zona del proyecto