info subestaciones

Estandarización de las cimentaciones de una subestación

1

1. Introducción

En este primer apartado se pretende explicar y describir brevemente el

escenario donde se va a desarrollar el proyecto, así como la motivación

que ha dado lugar a su ejecución y el objetivo final con el que se ha

diseñado.

1.1. Subestaciones eléctricas y cimentaciones

Una subestación es la parte de una red eléctrica encargada de dirigir y

transformar el flujo de la energía. De ella salen y a ella confluyen líneas de

igual o diferente tensión. Está compuesta por una serie de equipos

eléctricos que sirven para la explotación y protección de la subestación.

Las funciones de la subestación son:

- Explotación: La subestación tiene como meta el dirigir el flujo de

energía de una manera óptima, tanto desde el punto de vista de

pérdidas energéticas, como de la fiabilidad y seguridad en el

servicio.

- Interconexión: Se encarga de la interconexión de las diferentes

líneas que forman una red eléctrica, de igual o diferente tensión,

así como también de la conexión de un generador a la red.

- Seguridad: del sistema eléctrico, en caso de falta.

Una subestación, queda formada básicamente por varios circuitos

eléctricos o posiciones, conectadas a través de un sistema de barras


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conductoras. Cada circuito eléctrico está compuesto a su vez por

interruptores, transformadores y seccionadores.

El interruptor es el aparato de desconexión que puede asegurar la “puesta

en servicio” o “puesta fuera de servicio” de un circuito eléctrico y que,

simultáneamente, está capacitado para garantizar la protección de la

instalación en que han sido montados contra los efectos de las corrientes

de cortocircuito. Dichos aparatos deben ser capaces de cortar la

intensidad máxima de corriente de cortocircuito. Por tanto. Su elección

depende principalmente de la potencia de cortocircuito.

Los transformadores, de intensidad y tensión, dan la información

necesaria al circuito de medida, para poder detectar la falta y actuar sobre

ella. Los equipos de protección necesitan de estos datos para poder actuar

eficazmente.

Por último, los seccionadores son equipos capaces de aislar

eléctricamente los diferentes elementos, componentes o tramos de una

instalación o circuito, con el fin de realizar labores de mantenimiento con

la seguridad adecuada. También son utilizados como selectores de barras

o como “by-pass” para aislar a algún equipo fuera de servicio. Los

seccionadores sólo pueden ser utilizados fuera de carga.

Paralelamente a estos equipos, existen también las autoválvulas, equipos

de protección que se disponen previamente a otros aparatos con el fin de

protegerlos en caso de falta en la red.


3

Los embarrados son el conjunto de cables o tubos conductores de la

energía eléctrica al que se conectan todos los circuitos, sirviendo de

pasillo de unión entre todos ellos. La configuración de estas barras puede

ser de diferentes maneras, dependiendo del nivel de tensión, la finalidad

de la subestación, la fiabilidad necesaria o incluso las costumbres en

ciertos países. Las configuraciones más típicas son: simple barra, doble

barra, triple barra, interruptor y medio y anillo.

Las subestaciones se pueden clasificar según la función que desempeñan

en la red eléctrica como:

- Subestaciones de generación, cuyo cometido es conectar e

incorporar a la red la energía producida por los diferentes centros

de generación de un país (térmicos, hidráulicos, eólicos, etc.)

Estas subestaciones suelen tener que elevar el nivel de tensión de

la energía, desde los valores de generación a los valores de

transporte.

- Subestaciones de transporte de la energía, desde su punto de

generación hasta las áreas de consumo. Actúan de interconexión

entre un número variable de líneas de la red.

- Subestaciones de distribución, que conectan las líneas de

transporte con las ramas de distribución de la energía, a menor

nivel de tensión, para su transporte local y distribución.

Atendiendo a las soluciones constructivas de la subestación, se pueden

dividir en:

- Subestaciones de intemperie, donde la aparamenta eléctrica y los

embarrados están situados a la intemperie, enclavados sobre el


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terreno a través de estructuras metálicas o de hormigón y sus

cimentaciones.

- Subestaciones de interior, donde el conjunto de la subestación se

ubica en edificaciones, utilizándose sistemas de construcción

convencionales o prefabricados. Estos sistemas obedecen a

criterios ambientales o de emplazamiento.

Dependiendo del tipo de aparamenta utilizada, se puede realizar otra

clasificación:

- Subestación convencional, que monta los componentes discretos

convencionales conectados entre sí mediante conexiones realizadas

in situ. Pueden realizarse en intemperie o interior.

- Subestaciones blindadas, que utilizan los componentes integrados

y montados en fábrica, protegidos mediante pantallas metálicas y

aisladas generalmente mediante gas (SF6). Pueden realizarse en

intemperie o interior.

Las cimentaciones son la parte estructural de la subestación encargada de

transmitir las cargas de la estructura al terreno. Dependen de las cargas

soportadas y del tipo de terreno donde se asientan.

Existen dos tipos básicos de cimentaciones: superficial y profunda.

Asimismo, hay algunas variaciones de cada tipo.

Las cimentaciones superficiales constan de zapatas (llamadas zarpas en

algunos países), aisladas, corridas y ligadas.


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Las cimentaciones profundas constan de cajones perforados y muchas

variedades de pilotes de concreto hincables o colados en su sitio.

Las zapatas pueden ser, a su vez:

• Cuadradas: ancho y largo de la cimentación tienen la misma

longitud. La profundidad es variable. Es la zapata más utilizada en

construcciones de subestaciones intemperie.

• Rectangulares: utilizadas en el caso de que no sea posible

implementar una zapata cuadrada o en diseños específicos que

demuestren su eficacia en un caso particular.

• Piramidales: son zapatas cuadradas o rectangulares cuya

parte superior se estrecha, en forma de pirámide. Por su geometría

evita que se acumulen balsas de agua en su superficie.

• Zapatas aisladas: es aquella sobre la que descansa o recae un solo

pilar, encargada de transmitir a través de su superficie de cimentación

las cargas al terreno.

• Zapatas corridas: pueden ser bajo muros, pilares, etc. Son

cimentaciones de gran longitud en comparación con su sección

transversal.

• Zapatas ligadas: varias zapatas unidas entre sí.

Por tanto, puesto que la finalidad del proyecto es la estandarización de las

cimentaciones de una subestación, solamente se van a considerar

aquellas que precisen de una estructura para soportar su aparamenta y de

sus respectivas cimentaciones.


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En lo referente a los tipos cimentaciones de las estructuras sobre las que

se apoyan la aparamenta de una subestación, suelen ser zapatas

cuadradas o rectangulares aisladas, de hormigón armado, cuyas

características dependerán de la norma de construcción que se aplique.

Para el transformador de potencia de la subestación, en el caso de una

subestación transformadora, la cimentación usada es la bancada, debido a

las dimensiones y peso de dicho aparato.

Las cargas que deberán soportar estas cimentaciones, serán solamente

aquellas que aparezcan en una subestación, debidas generalmente a las

condiciones climatológicas del lugar y características eléctricas de la

subestación.

1.2. Motivación del proyecto.

En este apartado se va a explicar el proceso de elaboración de una oferta

de una subestación llave en mano, proyecto dirigido íntegramente por la

empresa y que se entrega al cliente preparada para su puesta en servicio.

El esquema de funcionamiento se puede sintetizar en los siguientes

puntos:

- El cliente envía unas especificaciones técnicas o pliegos en los que

definen el alcance del proyecto y las condiciones necesarias para

que se le adjudique el proyecto de la subestación.

- Socoin realiza una petición de oferta de los distintos equipos que

forman la subestación a los suministradores que tiene.


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- Los distintos fabricantes envían a Socoin la correspondiente oferta

con los equipos que habían sido pedidos.

- Socoin elabora una oferta técnica y económica final basándose en

los precios obtenidos por los fabricantes y en la estimación de

otros gastos: estructuras, cimentaciones, gastos financieros, etc.

En el competitivo mundo de las empresas dedicadas al diseño de

subestaciones, la estandarización de los diseños es una herramienta muy

importante para reducir el tiempo y por tanto el coste del diseño.

Esta necesidad se hace más importante cuando se trata de valorar una

subestación. El cliente espera obtener rápidamente el precio de la

subestación, proporcionando un conjunto muy pequeño de datos.

Las empresas suelen estimar las necesidades del cliente y adecuarlas a

los diseños que realizan normalmente, aplicando en ellas equipos de

empresas con los que tienen acuerdos.

Estos estudios consumen mucho tiempo y recursos, por lo que se hace

necesario un procedimiento rápido para poder valorar las subestaciones.

La estandarización de las cimentaciones necesarias en la construcción de

una subestación intemperie, intenta aliviar los problemas con los que se

encuentra una empresa a la hora de estimar el coste económico de las

mismas en la realización de una oferta.


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1.3. Metodología y objetivo del proyecto.

Como ya se ha comentado, el objetivo del proyecto es la estandarización de

las cimentaciones existentes en una subestación. Para llevar a cabo este

objetivo el proyecto se ha dividido en varias partes:

- La primera parte estará destinada al análisis de las subestaciones

eléctricas, con el fin de establecer que subestaciones interesan

para el estudio en este proyecto y cual será su configuración, en la

medida en que ésta afecte al diseño de las cimentaciones.

- En la segunda parte se darán a conocer las cargas que pueden

aparecer en las estructuras de una subestación y con que

intensidad afectan a las estructuras. Dentro de este apartado se

pretende crear unos escenarios tipo, que representen una amplia

gama de casos reales.

- El tercer apartado se dedicará al estudio de los tipos de

cimentaciones que existen y a la elección de los más convenientes

para nuestro proyecto.

- En este punto se realizarán los diseños estándar de detalle para

cada cimentación necesaria.

- Por último se realizará un breve estudio económico del proyecto.


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2. Análisis de Subestaciones eléctricas. Elección de la

subestación tipo

Las subestaciones a las que vamos a referir son aquellas que, por tener la

necesidad de utilizar diferentes cimentaciones, interesan para el

desarrollo del proyecto. Este tipo de subestación será la subestación

convencional intemperie, desechando las construcciones en interior y las

subestaciones fabricadas a base de celdas blindadas, que no precisan de

cimentación.

2.1. Características generales de una subestación

2.1.1. Tensión nominal

La tensión nominal de cada uno de los sistemas debe ser un dato aportado

por el cliente.

Las tensiones nominales en diferentes países y la tensión máxima para el

material, según CEI, se muestran en la Tabla 1.

Tensión nominal del sistema kVTensión nominal del sistema kVTensión nominal del sistema kVTensión nominal del sistema kV

EuropaEuropaEuropaEuropa AméricaAméricaAméricaAmérica

Tensión máximaTensión máximaTensión máximaTensión máxima

para el material kVpara el material kVpara el material kVpara el material kV

45 - 52

66 69 72.5

110 115 123

132 138 145

150 161 170

220 230 245

Tabla 1.Tensión máxima para el material según la CEI


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Como los elementos se diseñan para la tensión máxima del material, es

indistinto para el diseño que la tensión nominal adopte niveles europeos o

americanos.

En este proyecto sólo se van a estudiar los casos en los que el nivel de

tensión nominal sea de 230, 132 y 66 kV ó, lo que es lo mismo, cuyos

niveles de tensión máxima para el material sean de 245, 145 y 72.5 kV.

2.1.2. Intensidad nominal

La intensidad nominal fija los esfuerzos térmicos que debe soportar una

instalación eléctrica, en las condiciones de operación más desfavorables.

Sirve para determinar la sección de los embarrados y las características

de conducción de corriente de los interruptores, seccionadores,

transformadores de medida, etc.

La intensidad nominal con la que se determinará la subestación deberíaser un dato suministrado por el cliente. En caso de no disponer de ningúndato al respecto se tomarán los datos de laTabla 2, que representan un caso desfavorable, con intensidades

ligeramente superiores a los niveles esperados.

245 kV245 kV245 kV245 kV 132 kV132 kV132 kV132 kV 66 kV66 kV66 kV66 kV

Intensidad nominal porIntensidad nominal porIntensidad nominal porIntensidad nominal por

circuitocircuitocircuitocircuito4000 A 2000 A 1250 A

Tabla Tabla Tabla Tabla 2222.... Intensidad nominal por circuitoIntensidad nominal por circuitoIntensidad nominal por circuitoIntensidad nominal por circuito....


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2.1.3. Intensidad de cortocircuito

La intensidad de cortocircuito determina los esfuerzos electrodinámicos

máximos que pueden sufrir los embarrados y los tramos de conexión,

siendo también un parámetro importante para el diseño de la red de

tierra.

En caso de tener datos los cálculos de las intensidades de cortocircuito sedeberían determinar. En este caso se tomarán las intensidades de laTabla 3 como intensidades de cortocircuito, proporcionadas por el manual

de UNION FENOSA: Normalización del Diseño de Subestaciones

Convencionales, siendo un máximo razonable para los niveles de tensión

en los que trabajamos.


Intensidad deIntensidad deIntensidad deIntensidad de

cortocircuitocortocircuitocortocircuitocortocircuito32 kA 25.5 kA 25.5 kA

Tabla Tabla Tabla Tabla 3333.... Intensidades de cortocircuitoIntensidades de cortocircuitoIntensidades de cortocircuitoIntensidades de cortocircuito....

2.1.4. Nivel y distancias de aislamiento

El nivel de aislamiento de una subestación se fija en función de la tensión

nominal de operación, de las normas correspondientes y de los niveles de

sobretensiones existentes en el sistema. Se conoce como Nivel Básico de

Aislamiento o B.I.L.

A continuación, en la Tabla 4 se enumeran los niveles de aislamiento

estandarizados para las distintas tensiones de estudio del proyecto.


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Tensión mas elevada paraTensión mas elevada paraTensión mas elevada paraTensión mas elevada para

el materialel materialel materialel material

kVkVkVkV

B.I.L.B.I.L.B.I.L.B.I.L.

kVkVkVkV

245245245245 1050

145145145145 650

72.572.572.572.5 325

Tabla Tabla Tabla Tabla 4444. Tensión más elevada para el material. Tensión más elevada para el material. Tensión más elevada para el material. Tensión más elevada para el material....

Las distancias de aislamiento para un parque dependen de los niveles de

tensión:

- 220 kV: A partir de los 1050 kV cresta, para el valor de la tensión

soportada frente a impulsos tipo rayo en 245 kV, y aplicando

R.C.E., para altitudes máximas de 1000m, las distancias mínimas

en el aire son:

• Distancia mínima fase tierra: 2100mm

• Distancia mínima fase-fase: 2100mm

Por cada 100m que superen los 1000m, hasta 3000m, se añadirá a esta

cantidad 26.5 mm.


soportada frente a impulsos tipo rayo en 145 kV, y aplicando


en el aire son:




13


cantidad 16.5 mm.


soportada frente a impulsos tipo rayo en 72.5 kV, y aplicando


en el aire son:




cantidad 8 mm.

Las distancias fase-fase y fase-tierra de la

Tabla 5, que se han tomado como estándar, superan las distancias

mínimas reglamentadas para cada nivel de tensión.


Distancia fase-faseDistancia fase-faseDistancia fase-faseDistancia fase-fase 4000 mm 3000 mm 1500 mm

Distancia fase-tierraDistancia fase-tierraDistancia fase-tierraDistancia fase-tierra 4000 mm 3000 mm 1500 mm

Tabla Tabla Tabla Tabla 5555. Distancias de seguridad. Distancias de seguridad. Distancias de seguridad. Distancias de seguridad


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2.1.5. Configuración de los embarrados

El diseño de una subestación eléctrica consiste esencialmente en la

distribución de un cierto número de componentes (transformadores de

potencia, transformadores de medida, interruptores, seccionadores, etc.),

de acuerdo con las funciones a desarrollar y con ciertas reglas de espacio

a respetar, respetando también el diagrama unifilar y el sistema de barras

del sistema.

Una subestación eléctrica está básicamente compuesta de un número

determinado de circuitos similares, compuestos por un conjunto de

aparatos: seccionadores, interruptores, transformadores, etc.; conectados

todos ellos a un sistema de barras colectoras común sometidas a una

misma tensión.

Las configuraciones posibles para una subestación son múltiples:

- Simple Barra SBSBSBSB

- Barra Partida BPBPBPBP

- Doble Barra DBDBDBDB

- Triple Barra TBTBTBTB

- Anillo AN

Para la ejecución de este proyecto se ha determinado, basándose en una

estadística de proyectos realizados por la empresa en los últimos años

para diversos países y atendiendo a las necesidades del departamento,

que la configuración de las barras sea la que se representa en la

Tabla 6.


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Configuración delConfiguración delConfiguración delConfiguración del

embarradoembarradoembarradoembarrado

230 kV230 kV230 kV230 kV DB

132 kV132 kV132 kV132 kV DB

66 kV66 kV66 kV66 kV SB

Tabla Tabla Tabla Tabla 6666 Embarrados.Embarrados.Embarrados.Embarrados.

2.2. Diseño de la subestación tipo

Además de las características generales descritas anteriormente, también

es necesario considerar la aparamenta que interviene en la construcción

de las subestaciones para poder realizar los cálculos. Para ello se ejecutó

un estudio del aparellaje utilizado en distintos proyectos de subestaciones

convencionales de intemperie realizados en los últimos años por

Soluziona/Socoin.

Con la estandarización de la configuración de la subestación y de la

aparamenta empleada, las subestaciones tipo para las que se realizarán

los diseños quedan determinadas de la siguiente manera.


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2.2.1. Subestación convencional intemperie de 230 kV

230 kV230 kV230 kV230 kV

EmbarradoEmbarradoEmbarradoEmbarrado Doble Barra

Intensidad nominalIntensidad nominalIntensidad nominalIntensidad nominal 4000 A

Intensidad cc.Intensidad cc.Intensidad cc.Intensidad cc. 32 kA

Distancia entre fasesDistancia entre fasesDistancia entre fasesDistancia entre fases 4000 mm

TubosTubosTubosTubos 150/134 Al

Seccionador PantógrafoSeccionador PantógrafoSeccionador PantógrafoSeccionador Pantógrafo SP-245/4000 Mesa

Seccionador GiratorioSeccionador GiratorioSeccionador GiratorioSeccionador Giratorio SG3CT-245/4000 Mesa

InterruptorInterruptorInterruptorInterruptor 3AP1-F1 245 Siemens

AutoválvulaAutoválvulaAutoválvulaAutoválvula 3EQ1 Siemens

TransformadorTransformadorTransformadorTransformador

de intensidadde intensidadde intensidadde intensidadCA-245 Arteche


de tensión inductivode tensión inductivode tensión inductivode tensión inductivoUTF-245 Arteche


de tensión capacitivode tensión capacitivode tensión capacitivode tensión capacitivoDFK-245 Arteche


de potenciade potenciade potenciade potenciaConstrucción bajo pedido

Tabla Tabla Tabla Tabla 7777. Subestación tipo 230 kV. Subestación tipo 230 kV. Subestación tipo 230 kV. Subestación tipo 230 kV

Los detalles del cálculo de los tubos utilizados en la configuración se

encuentran recogidos dentro del apartado de cálculos


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132 kV132 kV132 kV132 kV

EmbarradoEmbarradoEmbarradoEmbarrado Doble Barra


Intensidad cc.Intensidad cc.Intensidad cc.Intensidad cc. 25.5 kA



Seccionador PantógrafoSeccionador PantógrafoSeccionador PantógrafoSeccionador Pantógrafo SP-132/2000 Mesa


InterruptorInterruptorInterruptorInterruptor LTB-D 170kV ABB

AutoválvulaAutoválvulaAutoválvulaAutoválvula 3EP4 Siemens




de tensión inductivode tensión inductivode tensión inductivode tensión inductivoUTE-145 Arteche


de tensión capacitivode tensión capacitivode tensión capacitivode tensión capacitivoDBD-145 Arteche



Tabla Tabla Tabla Tabla 8888. Subestación tipo 132kV. Subestación tipo 132kV. Subestación tipo 132kV. Subestación tipo 132kV




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66 kV66 kV66 kV66 kV

EmbarradoEmbarradoEmbarradoEmbarrado Simple Barra


Intensidad cc.Intensidad cc.Intensidad cc.Intensidad cc. 25.5 kA



Seccionador PantógrafoSeccionador PantógrafoSeccionador PantógrafoSeccionador Pantógrafo N/A


InterruptorInterruptorInterruptorInterruptor EDF-SK36 84kV ABB

AutoválvulaAutoválvulaAutoválvulaAutoválvula 3EP4 Siemens




de tensión inductivode tensión inductivode tensión inductivode tensión inductivoUTC-72 Arteche


de tensión capacitivode tensión capacitivode tensión capacitivode tensión capacitivoDBD-72 Arteche



Tabla Tabla Tabla Tabla 9999. Subestación tipo 66 kV. Subestación tipo 66 kV. Subestación tipo 66 kV. Subestación tipo 66 kV



En este caso, y debido a la configuración de barras no es necesaria la

utilización de seccionadores pantógrafos, por lo que se han eliminado del

diseño.


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3. Estudio de las cargas aplicables.

3.1. Introducción

Este proyecto tiene como finalidad estudiar y estandarizar las

cimentaciones de las estructuras cuya finalidad no es crear espacios

cubiertos; son en general estructuras de soportes (aparatos eléctricos),

pero de todos modos deben resultar armoniosas, livianas y económicas,

virtudes que se exigen hoy a cualquier obra.

Una construcción es la materialización de una idea, donde conjugan

variedad de formas y materiales, para obtener la prestación requerida con

los mínimos costos, desafío permanente del proyectista.

Las construcciones de interés para este proyecto están sólo formadas por

elementos estructurales, que se han desarrollado en el siglo XX, en

paralelo con el surgimiento de los materiales que revolucionaron la

industria de la construcción y el desarrollo de la electrotecnia.

Una estructura y su cimentación son la manera de conseguir la máxima

resistencia con el mínimo material, mediante la utilización más apropiada

de las formas y los materiales. No consiste en hacer algo más fuerte

agregando más masa y volumen, sino utilizando menos materiales de la

manera más apropiada, consiguiendo así la resistencia necesaria.


20

En este apartado se van a estudiar las posibles cargas que se pueden

producir en una estructura soporte de una subestación. Estas cargas

influyen notablemente en el diseño de las cimentaciones.

Las cargas pueden ser producidas por factores climatológicos, así que

estas cargas pueden variar de un emplazamiento a otro, precisando de

diferentes diseños para cada subestación.

Estos esfuerzos también pueden ser producidos por las corrientes

eléctricas, en el caso de un cortocircuito por ejemplo, dependiendo en tal

caso de las características eléctricas de la subestación. Por tanto, también

deben de variar los diseños de cimentaciones en subestaciones con

diferentes configuraciones eléctricas.

3.2. Las cargas

La concepción y el desarrollo de una estructura se debe hacer con el

conocimiento y sensibilidad de los efectos que producen las variadas

cargas y fuerzas que actúan sobre estas futuras construcciones.

El equívoco en la valoración real de las fuerzas posee un alto costo: el

derrumbe, el caos, las roturas, que ocurren cuando la estimación es en

defecto (inferior a las fuerzas que actuarán en el transcurso de los años

sobre la obra construida).


21

Lo opuesto, mucho más generalizado, es cuando se construyen obras con

exagerados coeficientes de seguridad, y aparecen construcciones pesadas,

poco económicas.

Un buen estudio de cargas es aquel donde los valores determinados en la

etapa de cálculo coinciden con los que se presentan en la realidad. Y dicho

estudio deberá considerar la evolución futura de la obra, atento a las

posibles necesidades de ampliación, implícitas en algunos casos.

La tarea de determinar las cargas es compleja por la variedad. Una sola

como ejemplo de caprichoso comportamiento, el viento. Lograr una cifra

exacta de la magnitud de la presión que ejerce el viento en un instante

dado de toda una vida útil de la construcción es imposible.

Las cargas variables con el tiempo (viento, sobrecargas, nieve, etc.) se

obtienen de normas y códigos que las establecen en cada país y región, y

que corresponden a datos y experiencias recogidas en el lugar durante

largos períodos de tiempos.

Las cargas permanentes suelen ser más fáciles de determinar,

generalmente suelen corresponder a pesos, etc.

Fuerzas características de las instalaciones eléctricas son las originadas

es esfuerzos electrodinámicos, que tienen la particularidad de ser

oscilatorias.

Las cimentaciones tienen la finalidad de transmitir las cargas de la

estructura al terreno. Se deben diseñar en función de éstas y del tipo de


22

terreno. No puede haber un buen diseño de cimentaciones si previamente

no ha habido un buen estudio de las cargas soportadas.

3.3. Tipos de cargas

Como se ha comentado anteriormente, el estudio de las cargas es un

factor importante en el diseño de una cimentación. Existen diversas

fuerzas en una subestación, de las cuales hay que determinar cuales son

significativas y cuales pueden ser despreciadas en los cálculos.

3.3.1. Cargas debidas al viento

La presión ocasionada por el viento es proporcional al cuadrado de la

velocidad y debe ser calculada, principalmente, en las superficies

expuestas de una estructura.

Debido a la rugosidad de la tierra, la velocidad del viento es variable y

presenta turbulencias. Sin embargo, se asume que la edificación adopta

una posición deformada debido a una velocidad constante y que vibra a

partir de esta posición debido a la turbulencia.

El procedimiento analítico para evaluar los efectos producidos por la

fuerza del viento involucra el análisis simple, si los efectos producidos por

la fuerza del viento no son fundamentales en el diseño, o el análisis

completo, si por el contrario, las fuerzas de viento en algún sentido

resultan determinantes en el diseño. Estas cargas dependen de la

ubicación de la estructura, de su altura, del área expuesta y de la posición.


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En la RCE, Reglamento de Centrales Eléctricas, Subestaciones y Centros

de Transformación, se especifica el cálculo de estas presiones de acuerdo

a las características de la estructura. En general ni se especifican normas

de diseño para el efecto de huracanes o tornados, debido a que se

considera incosteable el diseño contra estos efectos.

Cuando las estructuras impiden el flujo del viento, la energía cinética de

éste reconvierte en energía potencial de presión, lo que causa la carga de

viento.

El efecto del viento sobre una estructura depende de la densidad y

velocidad del aire, del ángulo de incidencia del viento, de la forma y de la

rigidez de la estructura y de la rugosidad de su superficie.

El viento es uno de los factores comunes en todos los diseños de

estructuras y cimentaciones en una estación eléctrica. Los valores de

velocidad y presión del viento sobre las estructuras dependen del lugar y

de la forma de la estructura respectivamente y suelen venir determinados

por los reglamentos de cada país.

Según el RAT, Reglamento de Líneas de Alta Tensión, se considerará un

viento de 120 kilómetros por hora de velocidad. Se supondrá el viento

horizontal actuando perpendicularmente a las superficies sobre las que

incide.

La acción de este viento da lugar a las presiones que a continuación se

indican, sobre los distintos elementos:


24

- Sobre conductores y cables de tierra de un diámetro superior a

16mm…...........................................................................................60

Kg/m2

- Sobre conductores y cables de tierra de un diámetro inferior o

igual a

16mm…...........................................................................................50

Kg/m2

- Sobre superficies planas…………………………………………100Kg/m2

Las presiones anteriormente indicadas se considerarán aplicadas sobre

las proyecciones de las superficies reales en un plano normal a la

dirección del viento.

Estos valores son válidos hasta una altura de 40m sobre el terreno

circundante, debiendo para mayores alturas adoptarse otros valores

debidamente justificados.

No se tendrá en cuenta el efecto de pantalla entre conductores ni aún en

el caso de haces de conductores de fase.

3.3.2. Cargas debidas al peso

Las cargas provocadas por el peso son cargas permanentes, es decir,

siempre están presentes y siempre en la misma medida. Son fáciles de

determinar, puesto que sólo dependen de las características de la

estructura y del elemento soportado.


25

Estas cargas están provocadas por dos motivos:

- Peso del elemento soportado: en este caso se refiere al peso del

aparato eléctrico. Es un dato que debe de ser proporcionado por el

fabricante o que se puede medir con relativa facilidad.

- Peso propio de la estructura: es el esfuerzo causado por el peso

de la masa que forma la propia estructura. Es inevitable e

invariable. Depende del diseño de la estructura. Se calcula

fácilmente a partir de la densidad del material con el que se

realizan las estructuras y el volumen de estructura que ha salido

del diseño.

3.3.3. Cargas motivadas por el hielo

Estas cargas son sobrecargas de peso producidas por la acumulación de

hielo o nieve en la superficie de los aparatos y cables, con el consiguiente

aumento de masa y, por tanto, de peso.

A este respecto el RAT especifica: A estos efectos el país se clasifica en

tres zonas:

- Zona A: La situada a menos de 500m de altitud sobre el nivel del

mar. En esta zona no se tendrá en cuenta sobrecarga alguna

motivada por el hielo.

- Zona B: La situada a una altitud entre 500 y 1000 metros de altitud

sobre el nivel del mar. Se considerarán sometidos los conductores y

cables de tierra a la sobrecarga de un manguito de hielo igual a:


26

180x√d gramos por metro lineal

Siendo dddd el diámetro del conductor o cable de tierra en mm

- Zona C: La situada a una altitud superior a 1000 metros de altitud

sobre el nivel del mar. Se considerarán sometidos los conductores y

cables de tierra a la sobrecarga de un manguito de hielo igual a:

360x√d gramos por metro lineal

Siendo dddd el diámetro del conductor o cable de tierra en mm

3.3.4. Cargas sísmicas

Las cargas sísmicas son cargas inerciales causadas por movimientos

sísmicos que se traducen en movimientos del terreno sobre el que están

enterradas las cimentaciones.

Éstas pueden ser calculadas teniendo en cuenta las características

dinámicas del terreno, de la estructura (amortiguamiento masa y rigidez),

y las aceleraciones esperadas.

Son cargas dinámicas que también pueden ser aproximadas a cargas

estáticas equivalentes. Los edificios pueden utilizar este procedimiento

cuasi-estático, pero también se puede utilizar un análisis modal o

dinámico.


27

Los sismos producen cargas sobre una estructura por medio de la

interacción del movimiento del suelo y las características de respuesta de

la estructura. Esas cargas resultan de la distorsión en la estructura

causada por el movimiento del suelo y la resistencia lateral de ésta. Sus

magnitudes dependen de la velocidad y tipo de aceleraciones del suelo, así

como de la masa y rigidez de la estructura.

3.3.5. Cargas debidas a cortocircuito

La corriente de cortocircuito es debida a una falla de aislamiento que

ocurre en un momento cualquiera y en un punto genérico de la red,

también puede deberse a una maniobra equivocada (que anula un aislante)

o a otras causas.

Una enorme cantidad de instalaciones eléctricas son trifásicas, y deben

ser estudiadas teniendo en cuenta esa condición.

En funcionamiento normal la red es equilibrada de manera que se

presentan en todas las fases las mismas corrientes desfasadas 120 grados

eléctricos.

Desde nuestro punto de vista podemos suponer el circuito equivalente

como tres generadores monofásicos vinculados, desfasados entre sí 120

grados eléctricos alimentan la red trifásica.


28

Cuando en un sistema trifásico se presenta una falla trifásica, el sistema

no pierde la simetría, por esto la falla trifásica se llama también simétrica.

Por otra parte se pueden producir fallas bifásicas, o monofásicas, que se

dicen asimétricas por la particular situación que presentan.

El dimensionamiento de las instalaciones y de sus componentes no se

hace para soportar el estado de cortocircuito permanente, en rigor estas

condiciones pueden será soportadas por tiempos relativamente modestos,

y con frecuencia también modesta.

Los efectos que se presentan cuando se produce un cortocircuito en la

instalación deben ser conocidos y controlados.

- Efectos térmicosEfectos térmicosEfectos térmicosEfectos térmicos

La circulación de corriente en un conductor cualquiera produce

calor por efecto Joule.

Si se desea conocer los efectos de este fenómeno se debe realizar

la integral que permite evaluarlo, por el tiempo que interesa.

Este efecto no afecta al diseño de las cimentaciones.


29

- Efectos dinámicosEfectos dinámicosEfectos dinámicosEfectos dinámicos

Cuando se produce un cortocircuito circulan elevadas corrientes y

aparecen entonces fuerzas de atracción y repulsión entre

conductores atravesados por dichas corrientes.

Los conductores cambian de posición y se producen

deformaciones, en consecuencia se presentan distintos estados de

tensión

Los esfuerzos de cortocircuito que se presentan entre dos

conductores dependen del cuadrado de la corriente que por ellos

circula, en rigor dependen del producto de las corrientes, pero si

la corriente es la misma en ambos conductores la primera

afirmación es correcta.

Basándose en el manual de UNION FENOSA: “partiendo de la Ley

de Laplace, particularizada para una falta bifásica asimétrica, y en

conductores cilíndricos paralelos”, se tiene la expresión E- 1 :

E- E- E- E- 1111 Qcc = 16.32 Icc2/e

Icc: Intensidad de cortocircuito (kA)

e: Separación entre fases (cm)

3.4. Elección de las condiciones de diseño. Escenarios tipo

Una vez hemos descrito las cargas que pueden aparecer en una

subestación, debemos elegir cuales de ellas son significativas para

nuestro diseño y en qué medida.


30

Como lo que se realiza aquí no pretende ser un proyecto para la

construcción de una subestación real, sino una estandarización del

material necesario para elaborar los cimientos de los aparatos de una

subestación, las condiciones de diseño no vienen indicadas por el cliente o

por la ubicación de la subestación, como es lo habitual.

En este punto, el proyecto se encuentra ante un gran abanico de posibles

escenarios, casi tan amplio como el mismo planeta, cuya solución parece

difícil. Una cimentación es un diseño complejo que depende de muchos

factores, y que no puede ser normalizado fácilmente sin caer en el

equívoco de sobredimensionar las construcciones.

Por el contrario, unificar las cimentaciones eliminando ciertos

factores de seguridad, puede ser extremadamente peligroso, debido a la

consecuencias que podría tener un derrumbe en una subestación.

Para solventar este problema, lo primero fue centrar este objetivo

en un campo geográfico de actuación menos amplio. Para lo cual se centro

la atención en dos zonas en particular: España y Latinoamérica, en

concreto la zona del estado de México. Es en estos dos países donde la

empresa Socoin tiene un mayor número de proyectos y donde,

históricamente, se ha desarrollado gran parte de su actividad.

Dentro de estos dos escenarios aún caben amplias variaciones de

las condiciones de diseño, velocidad de viento, intensidad sísmica, etc. Se

ha pretendido en este proyecto representar a un gran número de

ubicaciones, dentro de las zonas estudiadas, a fin de que los diseños sean

útiles para un número elevado de proyectos.


31

Para conseguir este objetivo se han creado tres escenarios

ficticios, que no pretenden ser ningún escenario real, pero sí tener una

gran similitud con muchos de los escenarios reales.

Como en cualquier estandarización quedan fuera de estudio

aquellos sitios, que por sus condiciones, no resultan un lugar

característico de la zona. También quedan fuera de estudio todas aquellas

condiciones que se pueden considerar no habituales.

3.4.1. Escenario tipo 1

Este primer grupo se ha centrado en la configuración de un escenario tipo

que represente las condiciones de diseño que se dan habitualmente en

cualquier zona de España.

Para ello ha sido inspirado en las normativas vigentes españolas y en los

reglamentos de subestaciones y líneas eléctricas españolas.

La normativa utilizada para el diseño de este caso es:

- Normativa del Hormigón: EH-91EH-91EH-91EH-91

- Normativa del Acero Conformado: EA-95 (MV110)EA-95 (MV110)EA-95 (MV110)EA-95 (MV110)

- Normativa del Acero Laminado: EA-95 (MV103)EA-95 (MV103)EA-95 (MV103)EA-95 (MV103)

Los materiales utilizados para la cimentación son:


32

- Hormigón: H-175 Control Normal.H-175 Control Normal.H-175 Control Normal.H-175 Control Normal.

- Acero: AEH-400AEH-400AEH-400AEH-400

a)a)a)a) Viento:Viento:Viento:Viento:

Según el RAT, se considerará un viento de 120 kilómetros por hora de

velocidad. Se supondrá el viento horizontal actuando perpendicularmente

a las superficies sobre las que incide.

Como ya se ha visto anteriormente en el RAT, la acción del viento da lugar

a las presiones que a continuación se indican, sobre los distintos

elementos:

- Sobre superficies planas…………………………………………100Kg/m2.

En el caso que ocupa a este proyecto, se va a considerar el aparato

soportado como una superficie plana de área igual al área de la sección

más desfavorable del aparato, y que el viento incide sobre ella

perpendicularmente.

Las dimensiones de los aparatos vienen especificadas en los catálogos de

productos del fabricante.

a)a)a)a) Peso propio:Peso propio:Peso propio:Peso propio:

Las cimentaciones tienen que soportar también el peso de la estructura

que soporta la aparamenta. Este peso se calcula fácilmente y varios


33

programas lo estiman automáticamente. En este tipo de construcciones es

una carga de escaso valor.

b)b)b)b) Peso soportado:Peso soportado:Peso soportado:Peso soportado:

Se refiere al peso debido al aparato soportado. En este caso este dato

viene proporcionado por el fabricante de los aparatos que se han elegido

para el diseño de la subestación tipo.

c)c)c)c) Cortocircuito:Cortocircuito:Cortocircuito:Cortocircuito:

La fuerza de cortocircuito es una fuerza que puede estar presente en

cualquier subestación. Es una fuerza por tanto que se debe tener en

cuenta en todos los escenarios.

Esta fuerza se cuantifica mediante la estimación de la intensidad de

cortocircuito que puede estar presente en una subestación, utilizando la

Ley de Laplace, particularizada para una falta bifásica asimétrica como se

detalla en la ecuación E- 2 :

E- E- E- E- 2222 Qcc = 16.32 Icc2/e



a)a)a)a) Hielo:Hielo:Hielo:Hielo:

No se han considerado esfuerzos debidos a manguitos de hielo o nieve en

este escenario.


34

b)b)b)b) Sismo:Sismo:Sismo:Sismo:

No se han considerado esfuerzos debidos a actividades sísmicas en este

escenario.


Este escenario pretende ser un paso intermedio entre el salto que hay de

las condiciones que se pueden presentar en una subestación ubicada en

España y otra ubicada en Latinoamérica.

Básicamente se trata de una particularización de la normativa española,

utilizando una velocidad del viento de 160 kilómetros por hora, cifra

habitual en los diseños realizados en México.

La normativa que se ha utilizado sigue siendo la española:

- Normativa del Hormigón: EH-91EH-91EH-91EH-91

- Normativa del Acero Conformado: EA-95 (MV110)EA-95 (MV110)EA-95 (MV110)EA-95 (MV110)

- Normativa del Acero Laminado: EA-95 (MV103)EA-95 (MV103)EA-95 (MV103)EA-95 (MV103)


- Hormigón: H-175 Control NormalH-175 Control NormalH-175 Control NormalH-175 Control Normal

- Acero: AEH-400AEH-400AEH-400AEH-400


35

a)a)a)a) Viento:Viento:Viento:Viento:

Se considerará un viento de 160 kilómetros por hora de velocidad. Se

supondrá el viento horizontal actuando perpendicularmente a las

superficies sobre las que incide.

Como se ha visto anteriormente, la acción del viento a 120 km/h da lugar a

las presiones que a continuación se indican, sobre los distintos elementos:


Sobre este cálculo, y sabiendo que la relación entre la presión y la

velocidad del viento es cuadrática, se realizó el cálculo correspondiente a

160 kilómetros por hora dando como resultado la siguiente presión del

viento:


En el caso que ocupa, se va a considerar el aparato soportado como una

superficie plana de área igual al área de la sección más desfavorable del

aparato, y que el viento incide sobre ella perpendicularmente.


productos del fabricante

d)d)d)d) Peso propio:Peso propio:Peso propio:Peso propio:




36



e)e)e)e) Peso soportado:Peso soportado:Peso soportado:Peso soportado:

Se refiere al peso debido al aparato soportado. En este caso este dato

viene proporcionado por el fabricante de los aparatos que se han elegido

para el diseño de la subestación tipo.

f)f)f)f) Cortocircuito:Cortocircuito:Cortocircuito:Cortocircuito:







detalla en la ecuación E- 3:

E- E- E- E- 3333 Qcc = 16.32 Icc2/e



g)g)g)g) Hielo:Hielo:Hielo:Hielo:


este escenario.


37

h)h)h)h) Sismo:Sismo:Sismo:Sismo:

No se han considerado esfuerzos debidos a actividades sísmicas en este

escenario.


En este escenario, la ubicación representada es Latinoamérica, en

particular el estado de México.

Se trata de representar las condiciones que se dan en un estado de

Latinoamérica como es el de México. En este caso el diseño varía, para

tener en cuenta sobretodo las condiciones sísmicas y de viento.

Es conocido que en este país la actividad sísmica es especialmente

importante. Las condiciones climatológicas varían en gran medida, algo

que cabía esperar dadas las diferencias entre un país y otro.

En este escenario se ha utilizado la normativa de México para determinar

el efecto de la sismicidad en las estructuras y sus cimentaciones.

La normativa utilizada para el diseño de este caso es:

- Normativa del Hormigón: NB-1NB-1NB-1NB-1

- Normativa del Acero Conformado: AISIAISIAISIAISI


38

- Normativa del Acero Laminado: NTCRCNTCRCNTCRCNTCRC

- Normativa sismicidad CFE93CFE93CFE93CFE93


- Hormigón: C-18. Control Normal.C-18. Control Normal.C-18. Control Normal.C-18. Control Normal.

- Acero: CA-50-A, CA-60-B.CA-50-A, CA-60-B.CA-50-A, CA-60-B.CA-50-A, CA-60-B.

i)i)i)i) Viento:Viento:Viento:Viento:

Se considerará un viento de 160 kilómetros por hora de velocidad. Se

supondrá el viento horizontal actuando perpendicularmente a las

superficies sobre las que incide.

Como se ha visto anteriormente, la acción del viento da lugar a las

presiones que a continuación se indican, sobre los distintos elementos:


Sobre este calculo, y sabiendo que la relación entre la presión y la

velocidad del viento es cuadrática, se realizo el cálculo correspondiente a

una velocidad del viento de 160 kilómetros por hora dando como resultado

la siguiente presión del viento:



39

En el caso que ocupa, vamos a considerar el aparato soportado como una

superficie plana de área igual al área de la sección más desfavorable del

aparato, y que el viento incide sobre ella perpendicularmente.


productos del fabricante

j)j)j)j) Peso propio:Peso propio:Peso propio:Peso propio:





k)k)k)k) Peso soportado:Peso soportado:Peso soportado:Peso soportado:

Se refiere al peso debido al aparato soportado. En este caso, el peso viene

proporcionado por el fabricante de los aparatos que se han elegido para el

diseño de la subestación tipo.

l)l)l)l) Cortocircuito:Cortocircuito:Cortocircuito:Cortocircuito:







detalla en la ecuación E- 4:


40

E- E- E- E- 4444 Qcc = 16.32 Icc2/e



m)m)m)m) Hielo:Hielo:Hielo:Hielo:


este escenario

n)n)n)n) Sismo:Sismo:Sismo:Sismo:

Los esfuerzos provocados por la sismicidad del terreno deben ser

considerados en el diseño de cualquier estructura en un estado como el de

México.

Los efectos provocados por sismos pueden ser demoledores en algunos

casos. Aquí no tendría sentido un diseño adaptado, puesto que

sobredimensionaría todas las construcciones.

Hay que encontrar el intermedio entre unas grandes estructuras que lo

soporten todo y unas estructuras que presten un buen servicio sin la

necesidad de cimentar abundantemente.

Para diseñar este tipo de cimentaciones se ha utilizado un programa

especializado de diseño de estructuras y cimentaciones. Se trata del


41

programa CYPE, utilizado en otras ocasiones en Socoin para comprobar

las estructuras y cimentaciones de los proyectos que allí se llevan acabo.

Este programa se basa en la norma CFE93 de México para simular los

efectos estructurales que tendría un sismo en la cimentación. En la

configuración de esta simulación intervienen los siguientes apartados.

Sismo CFE93 (México):

- Parte de sobrecarga a considerar: 0.50.50.50.5

- Número de modos: 6666

- Factor de comportamiento sísmico 1.001.001.001.00

- Tipo de suelo Tipo II. Intermedio.Tipo II. Intermedio.Tipo II. Intermedio.Tipo II. Intermedio.

- Clasificación de construcciones Grupo B. Seguridad media.Grupo B. Seguridad media.Grupo B. Seguridad media.Grupo B. Seguridad media.

- Zona Sísmica Peligrosidad media-baja.Peligrosidad media-baja.Peligrosidad media-baja.Peligrosidad media-baja.


42

4. Diseño de cimentaciones. Resultados

4.1. Las cimentaciones

Como se ha introducido al principio del proyecto, el cimiento es la parte

estructural de la estructura encargada de transmitir las cargas al terreno.

Dado que la rigidez y resistencia del terreno son, salvo en casos

excepcionales, muy inferiores a las de la estructura, la cimentación posee

un área en planta muy superior a la suma de las áreas de todos los

soportes y muros de carga.

Lo anterior conduce a que los cimientos son en general piezas de volumen

considerable con respecto al volumen de las piezas de la estructura. Los

cimientos se construyen casi invariablemente en hormigón armado y, en

general, el hormigón no precisa de una extraordinaria calidad.

Las cimentaciones de la mayor parte de las estructuras se desplantan

debajo de la superficie del terreno. Por lo tanto, no pueden construirse

hasta que se ha excavado el suelo que está al nivel de las cimentaciones.


43

4.2. Las zapatas

El tipo de cimentación que se va a utilizar para cimentar las estructuras de

la subestación va a ser una cimentación tipo Zapata.

Una zapata es una ampliación de la base de una columna o muro que tiene

por objeto transmitir la carga al suelo a una presión adecuada a las

propiedades del suelo.

A las zapatas que soportan una sola columna se las denomina zapatas

individuales o aisladas.

La zapata que se construye debajo de un muro se llama zapata corrida o

continua.

Si una zapata soporta varias columnas se le llama zapata combinada. Una

forma especial de zapata combinada que se usa normalmente en el caso

que una de las columnas soporte un muro exterior es la zapata en voladizo

o cantilever.


44

4.3. Diseño de cimentaciones

En este apartado se van a describir los resultados obtenidos del diseño

estandarizado de las cimentaciones para las subestaciones que

intervienen en el estudio. Se detallarán las medidas de las zapatas, el tipo

de zapata a utilizar, el tamaño del armado y los materiales utilizados.

También serán calculados el volumen de hormigón y de metal necesarios.

Este último se suele estimar entre 50-60Kg de acero por cada metro

cúbico de hormigón. Para este proyecto se considerarán 50Kg/m3

Los cálculos de las cargas que intervienen en este diseño así como los

resultados obtenidos de la comprobación del diseño mediante ordenador,

vienen recogidos en el apartado de cálculos.

El tipo de terreno que se ha considerado es un terreno con una tensión

máxima admisible de 200 kN/m2. Este terreno ha sido utilizado para todos

los diseños de este proyecto, siendo un dato de calidad medio dentro de

las características que se suelen exigir en cualquier obra de este tipo. Si

en algún caso el terreno fuese de peor calidad se puede plantear una obra

para mejorar sus cualidades.


45

4.3.1. Subestación convencional intemperie 230 kV

A)A)A)A) SECCIONADOR PANTÓGRAFO. Escenario 1SECCIONADOR PANTÓGRAFO. Escenario 1SECCIONADOR PANTÓGRAFO. Escenario 1SECCIONADOR PANTÓGRAFO. Escenario 1

Cimentación diseñada para el Seccionador Pantógrafo de una

subestación de 230 kV. En el supuesto de un escenario tipo 1 (España).

Figura Figura Figura Figura 1111. Descripción de la zapata. Descripción de la zapata. Descripción de la zapata. Descripción de la zapata

La cimentación resultante es una zapata cuadrada aislada de 210x210x35

cm.

El volumen de hormigón de la zapata es de:

V = 1.543m3

El peso de acero es el siguiente:

P = 77.15kg


46

B)B)B)B) SECCIONADOR PANTÓGRAFO. Escenario 2SECCIONADOR PANTÓGRAFO. Escenario 2SECCIONADOR PANTÓGRAFO. Escenario 2SECCIONADOR PANTÓGRAFO. Escenario 2

Cimentación diseñada para el Seccionador Pantógrafo de una subestación

de 230 kV. En el supuesto de un escenario tipo 2 (España-Sudamérica).



cm.


V = 2m3


P = 100kg


47

C)C)C)C) SECCIONADOR PANTÓGRAFO. Escenario 3SECCIONADOR PANTÓGRAFO. Escenario 3SECCIONADOR PANTÓGRAFO. Escenario 3SECCIONADOR PANTÓGRAFO. Escenario 3

Cimentación diseñada para el Seccionador Pantógrafo de una subestación

de 230 kV. En el supuesto de un escenario tipo 3 (Sudamérica).



cm.


V = 2.38m3


P = 119kg


48

D)D)D)D) AUTOVÁLVULAS Escenario 1AUTOVÁLVULAS Escenario 1AUTOVÁLVULAS Escenario 1AUTOVÁLVULAS Escenario 1

Cimentación diseñada para la Autoválvula de una subestación de 230 kV.

En el supuesto de un escenario tipo 1 (España).



cm.


V = 0.72m3


P = 36kg


49

E)E)E)E) AUTOVÁLVULAS: Escenario 2AUTOVÁLVULAS: Escenario 2AUTOVÁLVULAS: Escenario 2AUTOVÁLVULAS: Escenario 2


En el supuesto de un escenario tipo 2 (España-Sudamérica).



cm.


V = 1.2m3


P = 60kg


50

F)F)F)F) AUTOVÁLVULAS: Escenario 3AUTOVÁLVULAS: Escenario 3AUTOVÁLVULAS: Escenario 3AUTOVÁLVULAS: Escenario 3


En el supuesto de un escenario tipo 3 (Sudamérica).



cm, las mismas medidas que la del escenario anterior.


V = 1.2m3


P = 60kg


51

G)G)G)G) SECCIONADOR GIRATORIO. Escenario 1SECCIONADOR GIRATORIO. Escenario 1SECCIONADOR GIRATORIO. Escenario 1SECCIONADOR GIRATORIO. Escenario 1

Cimentación diseñada para el Seccionador Giratorio de una subestación de

230 kV. En el supuesto de un escenario tipo 1 (España).


La cimentación resultante consta de dos zapatas rectangulares aisladas

de 285x125x30 cm.

El volumen de hormigón de las zapatas es de:

V = 2.13m3


P = 106.5kg


52

H)H)H)H) SECCIONADOR GIRATORIO. Escenario 2.SECCIONADOR GIRATORIO. Escenario 2.SECCIONADOR GIRATORIO. Escenario 2.SECCIONADOR GIRATORIO. Escenario 2.


230 kV. En el supuesto de un escenario tipo 2 (España-Sudamérica).


La cimentación resultante consta de dos zapatas rectangulares aisladas de

325x165x30 cm.


V = 3.22m3


P = 161kg


53

I)I)I)I) SECCIONADOR GIRATORIO. Escenario 3SECCIONADOR GIRATORIO. Escenario 3SECCIONADOR GIRATORIO. Escenario 3SECCIONADOR GIRATORIO. Escenario 3


230 kV. En el supuesto de un escenario tipo 3 (Sudamérica).



de 325x170x30 cm. Aunque la zapata varía su geometría, el volumen es

equiparable a la del escenario anterior.


V = 3.315m3


P = 165.75kg


54

J)J)J)J) TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD. Escenario 1TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD. Escenario 1TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD. Escenario 1TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD. Escenario 1

Cimentación diseñada para el Transformador de Intensidad de una




cm.


V = 1.2m3


P = 60kg


55

K)K)K)K) TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD. Escenario 2.TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD. Escenario 2.TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD. Escenario 2.TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD. Escenario 2.


subestación de 230 kV. En el supuesto de un escenario tipo 2 (España-

Sudamérica).



cm.


V = 1.68m3

El peso del acero es el siguiente:

P = 84kg


56

L)L)L)L) TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD. Escenario 3.TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD. Escenario 3.TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD. Escenario 3.TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD. Escenario 3.


subestación de 230 kV. En el supuesto de un escenario tipo 3 (Sudamérica).



cm.


V = 1.765m3


P = 88.25kg


57

M)M)M)M) TRANSFORMADOR DE TENSIÓN. Escenario 1TRANSFORMADOR DE TENSIÓN. Escenario 1TRANSFORMADOR DE TENSIÓN. Escenario 1TRANSFORMADOR DE TENSIÓN. Escenario 1

Cimentación diseñada para el Transformador de Tensión, capacitivo e

inductivo llevarán la misma cimentación, de una subestación de 230 kV. En

el supuesto de un escenario tipo 1 (España).



cm.


V = 1.4m3


P = 70kg


58

N)N)N)N) TRANSFORMADOR DE TENSIÓN. Escenario 2.TRANSFORMADOR DE TENSIÓN. Escenario 2.TRANSFORMADOR DE TENSIÓN. Escenario 2.TRANSFORMADOR DE TENSIÓN. Escenario 2.



el supuesto de un escenario tipo 2 (España-Sudamérica).



cm.


V = 1.935m3


P = 96.75kg


59

O)O)O)O) TRANSFORMADOR DE TENSIÓN. Escenario 3.TRANSFORMADOR DE TENSIÓN. Escenario 3.TRANSFORMADOR DE TENSIÓN. Escenario 3.TRANSFORMADOR DE TENSIÓN. Escenario 3.



el supuesto de un escenario tipo 3 (Sudamérica).



cm, válida para estos dos últimos escenarios.


V = 1.935m3


P = 96.75kg


60

P)P)P)P) INTERRUPTOR. Escenarios 1,2 y 3.INTERRUPTOR. Escenarios 1,2 y 3.INTERRUPTOR. Escenarios 1,2 y 3.INTERRUPTOR. Escenarios 1,2 y 3.

Cimentación diseñada para el Interruptor de una subestación de 230 kV.

En este caso se diseña sólo una cimentación puesto que este elemento

suele suministrarse siempre por el fabricante con una misma estructura.

La cimentación ha sido diseñada para superar las solicitaciones más

desfavorables.



cm,


V = 1.681m3


P = 84kg


61

4.3.2. Subestación convencional intemperie 132 kV.

A)A)A)A) AUTOVÁLVULAS. Escenario 1.AUTOVÁLVULAS. Escenario 1.AUTOVÁLVULAS. Escenario 1.AUTOVÁLVULAS. Escenario 1.


En el supuesto de un escenario tipo 1 (España).



cm.


V = 0.43m3


P = 21.5kg


62

B)B)B)B) AUTOVÁLVULAS. Escenario 2.AUTOVÁLVULAS. Escenario 2.AUTOVÁLVULAS. Escenario 2.AUTOVÁLVULAS. Escenario 2.


En el supuesto de un escenario tipo 2 (España-Sudamérica).



cm.


V = 0.43m3


P = 21.5kg


63

C)C)C)C) AUTOVÁLVULAS. Escenario 3.AUTOVÁLVULAS. Escenario 3.AUTOVÁLVULAS. Escenario 3.AUTOVÁLVULAS. Escenario 3.


En el supuesto de un escenario tipo 3 (Sudamérica).



cm, En este caso la cimentación de los tres escenarios coincide en su

volumen.


V = 0.43m3


P = 21.5kg


64

D)D)D)D) SECCIONADOR GIRATORIO. Escenario 1.SECCIONADOR GIRATORIO. Escenario 1.SECCIONADOR GIRATORIO. Escenario 1.SECCIONADOR GIRATORIO. Escenario 1.





de 355x180x30 cm.


V = 3.835m3


P = 191.75kg


65

E)E)E)E) SECCIONADOR GIRATORIO. Escenario 2.SECCIONADOR GIRATORIO. Escenario 2.SECCIONADOR GIRATORIO. Escenario 2.SECCIONADOR GIRATORIO. Escenario 2.





345x170x35 cm.


V = 4.1m3


P = 205kg


66

F)F)F)F) SECCIONADOR GIRATORIO. Escenario 3.SECCIONADOR GIRATORIO. Escenario 3.SECCIONADOR GIRATORIO. Escenario 3.SECCIONADOR GIRATORIO. Escenario 3.





355x180x35 cm.


V = 4.47m3


P = 223.5kg


67

G)G)G)G) SECCIONADOR PANTÓGRAFO. Escenarios 1, 2 y 3.SECCIONADOR PANTÓGRAFO. Escenarios 1, 2 y 3.SECCIONADOR PANTÓGRAFO. Escenarios 1, 2 y 3.SECCIONADOR PANTÓGRAFO. Escenarios 1, 2 y 3.

Cimentación diseñada para el Seccionador Pantógrafo de una subestación de 132

kV. En este supuesto se ha considerado diseñar una sola cimentación para los tres

escenarios, que cumpla los requisitos del escenario más crítico, el número 3.



cm.


V = 1.618m3


P = 81kg


68

H)H)H)H) TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD. Escenario 1.TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD. Escenario 1.TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD. Escenario 1.TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD. Escenario 1.





cm.


V = 0.47m3


P = 23.5kg


69

I)I)I)I) TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD. Escenario 2.TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD. Escenario 2.TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD. Escenario 2.TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD. Escenario 2.



Sudamérica).



cm.


V = 0.63m3


P = 31.5kg


70

J)J)J)J) TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD. Escenario 3.TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD. Escenario 3.TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD. Escenario 3.TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD. Escenario 3.





cm, en este caso también coincide con la del escenario 2.


V = 0.63m3


P = 31.5kg


71

K)K)K)K) TRANSFORMADOR DE TENSIÓN. Escenario 1.TRANSFORMADOR DE TENSIÓN. Escenario 1.TRANSFORMADOR DE TENSIÓN. Escenario 1.TRANSFORMADOR DE TENSIÓN. Escenario 1.






cm.


V = 0.77m3


P = 38.5kg


72

L)L)L)L) TRANSFORMADOR DE TENSIÓN. Escenario 2.TRANSFORMADOR DE TENSIÓN. Escenario 2.TRANSFORMADOR DE TENSIÓN. Escenario 2.TRANSFORMADOR DE TENSIÓN. Escenario 2.






cm. Estos dos primeros escenarios comparten cimentación.


V = 0.77m3


P = 38.5kg


73

M)M)M)M) TRANSFORMADOR DE TENSIÓN. Escenario 3.TRANSFORMADOR DE TENSIÓN. Escenario 3.TRANSFORMADOR DE TENSIÓN. Escenario 3.TRANSFORMADOR DE TENSIÓN. Escenario 3.



el supuesto de un escenario tipo 3. (Sudamérica).



cm.


V = 1m3


P = 50kg


74

N)N)N)N) INTERRUPTOR. Escenarios 1,2 Y 3. INTERRUPTOR. Escenarios 1,2 Y 3. INTERRUPTOR. Escenarios 1,2 Y 3. INTERRUPTOR. Escenarios 1,2 Y 3.

Cimentación diseñada para el Interruptor de una subestación de 132 kV.

En este caso se diseña sólo una cimentación puesto que este elemento

suele suministrarse siempre por el fabricante con una misma estructura.

La cimentación ha sido diseñada para superar las solicitaciones más

desfavorables.



cm.


V = 1.68m3


P = 84kg


75

4.3.3. Subestación convencional intemperie 66 kV

A) AUTOVÁLVULAS. Escenario 1.A) AUTOVÁLVULAS. Escenario 1.A) AUTOVÁLVULAS. Escenario 1.A) AUTOVÁLVULAS. Escenario 1.

Cimentación diseñada para la Autoválvula de una subestación de 66 kV. En el

supuesto de un escenario tipo 1 (España).


La cimentación resultante consta de dos zapatas cuadradas aisladas de

115x115x30 cm.


V = 0.8m3


P = 40kg


76

B) AUTOVÁLVULAS. Escenario 2.B) AUTOVÁLVULAS. Escenario 2.B) AUTOVÁLVULAS. Escenario 2.B) AUTOVÁLVULAS. Escenario 2.

Cimentación diseñada para la Autoválvula de una subestación de 66 kV. En




115x115x30 cm. Cimentación válida para estos dos primeros escenarios.


V= 0.8m3


P = 40kg


77

C) AUTOVÁLVULAS. Escenario 3.C) AUTOVÁLVULAS. Escenario 3.C) AUTOVÁLVULAS. Escenario 3.C) AUTOVÁLVULAS. Escenario 3.

Cimentación diseñada para la Autoválvula de una subestación de 66 kV. En




95x95x65 cm.


V = 1.17m3


P = 58.5kg


78

D) SECCIONADOR GIRATORIO. Escenario 1.D) SECCIONADOR GIRATORIO. Escenario 1.D) SECCIONADOR GIRATORIO. Escenario 1.D) SECCIONADOR GIRATORIO. Escenario 1.





de 250x130x30 cm.


V = 1.95m3


P = 97.5kg


79

E) SECCIONADOR GIRATORIO. Escenario 2.E) SECCIONADOR GIRATORIO. Escenario 2.E) SECCIONADOR GIRATORIO. Escenario 2.E) SECCIONADOR GIRATORIO. Escenario 2.





de 250x140x30 cm.


V = 2.1m3


P = 105kg


80

F) SECCIONADOR GIRATORIO. Escenario 3.F) SECCIONADOR GIRATORIO. Escenario 3.F) SECCIONADOR GIRATORIO. Escenario 3.F) SECCIONADOR GIRATORIO. Escenario 3.





de 250x120x40 cm.


V = 2.4m3


P = 120kg


81

G) TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD. Escenario 1.G) TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD. Escenario 1.G) TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD. Escenario 1.G) TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD. Escenario 1.





cm.


V = 0.92m3


P = 46kg


82

H) TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD. Escenario 2.H) TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD. Escenario 2.H) TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD. Escenario 2.H) TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD. Escenario 2.



Sudamérica).



cm. En este caso la cimentación también es válida para los dos primeros

escenarios.


V = 0.92m3


P = 46kg


83

I) TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD. Escenario 3.I) TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD. Escenario 3.I) TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD. Escenario 3.I) TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD. Escenario 3.





cm.


V = 1.135m3


P = 56.75kg


84

J) TRANSFORMADOR DE TENSIÓN. Escenario 1.J) TRANSFORMADOR DE TENSIÓN. Escenario 1.J) TRANSFORMADOR DE TENSIÓN. Escenario 1.J) TRANSFORMADOR DE TENSIÓN. Escenario 1.






cm.


V = 0.675m3


P = 33.75kg


85

K) TRANSFORMADOR DE TENSIÓN. Escenario 2.K) TRANSFORMADOR DE TENSIÓN. Escenario 2.K) TRANSFORMADOR DE TENSIÓN. Escenario 2.K) TRANSFORMADOR DE TENSIÓN. Escenario 2.






cm.


V = 0.675m3


P = 33.75kg


86

L) TRANSFORMADOR DE TENSIÓN. Escenario 3.L) TRANSFORMADOR DE TENSIÓN. Escenario 3.L) TRANSFORMADOR DE TENSIÓN. Escenario 3.L) TRANSFORMADOR DE TENSIÓN. Escenario 3.






cm. Para este aparato la cimentación no varía en los tres escenarios.


V = 0.675m3


P = 33.75kg


87

M) INTERRUPTOR. Escenarios 1, 2 y 3.M) INTERRUPTOR. Escenarios 1, 2 y 3.M) INTERRUPTOR. Escenarios 1, 2 y 3.M) INTERRUPTOR. Escenarios 1, 2 y 3.

Cimentación diseñada para el Interruptor de una subestación de 66 kV. Esta

cimentación ha sido diseñada para todos los escenarios, como en el resto de

interruptores.



cm. Para este aparato la cimentación no varía en los tres escenarios.


V = 1.44 m3


P = 72kg


88

Como se ha podido observar, las cimentaciones diseñadas para cada

elemento, en los diferentes escenarios, son de diferentes tamaños. En

algunos de los casos una zapata puede ser válida para varios o incluso

todos los escenarios, pero no ha sido lo habitual.

Esto demuestra que los escenarios fueron bien elegidos, con suficientes

diferencias entre unos y otros como para que sea justificable un nuevo

diseño.

Sin la elección de los escenarios, la solución habría podido ser la

utilización de la zapata más grande de los tres escenarios para todos los

proyectos. Esto habría desembocado en un diseño menos optimizado,

aunque también habría sido válido.

Para la utilización de estas zapatas fuera de las condiciones que

anteriormente se han descrito en los escenarios, se deberán realizar

previamente las comprobaciones necesarias.

4.4. Estandarización de Bancada para transformador

Cuando se trata de un elemento como el transformador de potencia de una

subestación, el concepto de cimentación cambia sensiblemente. Lo normal

no es utilizar una zapata, sino que se utilizan losas o bancadas de

hormigón.


89

El transformador de potencia de una subestación es un elemento

extremadamente pesado y voluminoso en comparación con el resto de la

aparamenta utilizada en estos centros.

El tamaño del transformador de potencia de una subestación depende

fundamentalmente de la potencia de éste. Por tanto las subestaciones tipo

divididas por niveles de tensión no van a ser válidas para este elemento.

Las cargas que este elemento sufre tampoco son las mismas que el resto

de la aparamenta. En este caso el aparato está descansando sobre la

bancada, por tanto no precisa de una estructura que lo sujete. Los

esfuerzos laterales son pequeños en comparación con el peso de éste.

En cambio, este elemento tiene otras peculiaridades. Es un aparato

refrigerado por aceite, que se eleva a grandes temperaturas. Esto le hace

un elemento peligroso en cuanto a accidentes se refiere. El transformador

puede explotar y provocar un incendio en la subestación con su propio

aceite.

Por tanto, en este diseño no importan tanto las solicitaciones físicas de la

estructura como los elementos de seguridad en el caso de accidente.


90

4.4.1. Diseño de bancada para transformador de potencia

Una bancada para transformador de potencia de una subestación, está

formada básicamente por una losa de hormigón que sirve de base para

apoyar el transformador. Encima de esta losa, se levanta generalmente un

muro llamado muro cortafuegos. Este muro es una protección de

aislamiento con respecto a otros aparatos, en caso de explosión y por

tanto del esparcimiento del aceite por las proximidades.

Para evitar que el aceite provoque un incendio en el centro eléctrico, la

bancada está dotada en su superficie de una estructura metálica llamada

tramex. El tramex es una rejilla de metal sobre la que se deposita grava

gruesa, haciendo las veces de “colador” de aceite en caso de accidente

(véase el esquema de la Bancada en el aparatado de Planos). En el caso de

explosión del transformador, gran cantidad de aceite ardiendo es

esparcido por las proximidades del transformador, este aceite escurre a

través de la grava y el tramex, apagándose y recogiéndose por unas

canalizaciones hasta el depósito de aceite.

El depósito de aceite de una bancada es el encargado de almacenar el

aceite de un transformador en caso de accidente. El depósito suele estar

enterrado cerca de la bancada y consta de unas losas de hormigón armado

que forman un cubo de las dimensiones necesarias para almacenar el

volumen de aceite. Las canalizaciones que transportan el aceite ardiendo

suelen ser construidas en hormigón.


91

Para la estandarización de este tipo de cimentación, nos hemos

encontrado con varios problemas. El transformador de potencia es un

elemento que se ha de solicitar al fabricante bajo pedido, por tanto

medidas y pesos son datos extremadamente variables. El diseño de la

bancada depende mayoritariamente de las características técnicas del

transformador, no dependiendo apenas del escenario donde se instala o

del nivel de tensión de la subestación.

Por tanto, se ha pensado que la mejor solución es hacer un diseño abierto

y adaptable a cualquier tipo de transformador que se necesite. Este tipo de

diseño dificulta la estimación en una pequeña medida, pero aumenta el

campo de aplicación. En resumen, en este apartado nos limitamos a dar

unas pautas de diseño para la posterior estimación de los costes, es un

diseño que debe de ser adaptado a cada caso antes de cualquier

estimación.

4.4.2. Pautas para la estimación de una bancada

Para el diseño de la bancada de transformador se ha utilizado una

bancada tipo, que será adaptada en dimensiones a cada uno de los casos

que sean necesarios en el futuro. Para la explicación de este método, se va

a utilizar un croquis simplificado de la bancada (véase Figura 44) que

servirá para describir las variables que existen en el diseño y cómo se

utilizan. La bancada tipo viene detallada y acotada en el plano de Bancada

de Transformador en la sección Planos.


92

Figura Figura Figura Figura 44444444. Croquis de la Bancada.. Croquis de la Bancada.. Croquis de la Bancada.. Croquis de la Bancada.

Para comenzar con la estimación, lo primero que se debe de saber son las

dimensiones y las características técnicas del transformador. Es necesario

tener un plano detallado del transformador de potencia para empezar a

diseñar la bancada.

Como se puede ver en el croquis, la base de la bancada ha sido dividida en

dos zonas: Zona A y Zona B. La Zona A corresponde al área de la base del

transformador. Es en esta zona donde la bancada estará asentada. Se

instalarán unos raíles adecuados para el transporte del transformador, en

el caso de tratarse de un transformador con ruedas. En esta zona también

se instalará el tramex o rejilla metálica encima de la cual irá una capa de

grava gruesa. Entre el tramex y la base de hormigón de la bancada

quedará un espacio suficiente para el escurrido del aceite. Ambas zonas


93

tienen una ligera pendiente (en torno al 2%) hacia su propia frontera con el

fin de canalizar el aceite hasta su salida por el tubo de hormigón (véase el

plano detallado de la bancada en la sección Planos).

La Zona B es una distancia de separación entre el muro y el

transformador. Esta distancia es una distancia de seguridad para evitar el

esparcimiento de aceite. Su superficie está formada por una solera de

hormigón con cierta pendiente hacia la Zona A con el fin de recoger el

aceite.

El muro cortafuegos se levanta sobre la Zona B a cierta distancia del

transformador. Este muro es un muro protector en el caso de incendio.

Suele tratarse de una pared de hormigón armado, no demasiado grueso.

La canalización del aceite se trazará por la frontera entre las dos zonas,

hacia uno de los dos laterales

Para el cálculo de las variables que determinan el tamaño final de la

bancada, se utilizarán las medidas de la planta del transformador, su

altura y el volumen de aceite que alberga en su interior.

Las dos primeras variables que vamos a calcular son las que determinan

el área base de la Zona A. Estas medidas se deben ser iguales a las

medidas de la planta del transformador:

- Largo de la bancada (‘A’) = Largo de la planta del transformador


94

- Ancho de la bancada (‘B’)= Ancho de la planta del transformador

Esta zona abarca estrictamente la planta del transformador. No es

necesario el diseño de márgenes a los laterales de la bancada.

Si el transformador que se va a utilizar incorpora ruedas para su

transporte, deberán diseñarse unos raíles a las distancias correctas según

el plano del transformador. Este dato no tiene mucho peso en cuanto a la

estimación que nos ocupa.

Para el cálculo de la variable ‘C’ que determina el área de la Zona B, se

considerará como válido estimar la longitud de esta zona como el 30% de

la longitud de la Zona A.

- Longitud de la Zona B (‘C’) = 0.3 Longitud de la Zona A (‘A’)

El muro de la bancada tendrá una altura mínima por encima del aparato

de entre el 10% y el 12% de la altura máxima del transformador. Con esto

queda configurada la bancada sobre la que se asentará el transformador

de potencia.

Para terminar, el depósito de aceite tendrá una profundidad de entre 80 y

100 centímetros. Este depósito será de base cuadrada, de lado (’L’),

suficiente para cubrir el volumen de aceite que incorpora el transformador

de potencia de la subestación (véase plano de Depósito de Aceite en la

sección Planos)


95

- Volumen de aceite = 0.8 L2

Con este método y con los planos en los que se detalla el diseño completo,

se pretende que la estimación del volumen de material necesario para la

construcción de una bancada, sea una tarea rápida y económica, que

pueda ser desarrollada por el usuario de este documento sin demasiadas

dificultades.

Para facilitar la labor, en el plano detallado de bancada y depósito de

aceite del transformador se ha desarrollado un ejemplo con un

transformador real de la marca ABB, en el que se detallan los valores que

tomarían las variables de diseño. Se aporta el plano detallado del

transformador.


96

5. Conclusiones

Este proyecto ha nacido por la necesidad de agilizar y economizar la

estimación de las cimentaciones para la realización de ofertas de

Subestaciones Llave en Mano. Este proceso es un proceso costoso que se

realiza habitualmente en las empresas que ofertan este tipo de proyectos.

Para la realización del proyecto se planificó dividirlo en cinco partes, cada

una de ellas dedicada a estandarizar los procesos de diseño de

subestaciones de 230, 132 y 66 kV que afectan al diseño de sus

cimentaciones.

La primera parte se ha dedicado ha estudiar las características de una

subestación de estos niveles de tensión. En este apartado se ha decidido

crear tres subestaciones tipo que representen las características más

habituales de estos centros. En ellas se han definido aparamenta,

embarrados, configuración eléctrica y disposición física más comunes en

los proyectos realizados por Socoin.

En una segunda parte se ha hecho un estudio sobre las cargas que suelen

aparecer en las estructuras soporte de una subestación. De las posibles

cargas que aparecen en estas construcciones (viento, hielo, cortocircuito,

peso y sismo) se decidió centrar la atención en las cargas habituales en

los proyectos realizados con anterioridad. Un gran número de proyectos

han sido realizados en España y Latinoamérica, en particular en el estado


97

de México. Por tanto, se ha resuelto crear tres escenarios que se espera

definan suficientemente al mayor número de proyectos.

La tercera parte está dedicada a decidir la cimentación que se utilizará en

los diseños. Las cimentaciones serán zapatas aisladas, cuadradas o

rectangulares, como es habitual. La cimentación para el transformador

será una bancada tipo adaptable a diferentes transformadores.

Una vez configuradas las características que definen las subestaciones

que abarcará este proyecto, se realizó el cálculo de las cimentaciones

válidas para los diferentes escenarios. Estos resultados justifican la

creación de los escenarios en la mayoría de los casos. De los casos en los

que la cimentación no varía para cada escenario, se concluye que se ha

llegado a un grado mayor de estandarización, no siempre posible sin

sobredimensionar el resultado.

En el caso de la Bancada, si se apostase por un método similar al del resto

de cimentaciones, el nivel de estandarización quedaría sensiblemente

reducido. Por ello se ha decidido crear un modelo abierto de Bancada, que

pueda ser adaptado a un gran número de transformadores. Se creó un

método sencillo para el diseño rápido de una Bancada a partir de los datos

del transformador. Además, se ha realizado un ejemplo con un

transformador real de la marca ABB.

Por último se ha realizado un breve estudio económico que justifique la

rentabilidad de este proyecto.


98

BibliografíaBibliografíaBibliografíaBibliografía

- R.A.T. Reglamento de Líneas Eléctricas de Alta Tensión.

- R.C.E. Reglamento de Centrales Eléctricas, Subestaciones y Centros de

Transformación.

- Cálculo de Estructuras de Cimentación, J Calavera. Ed. INTEMAC 1991.

- Curso de Introducción al Diseño de Subestaciones, ed CIDESPA.

- Normalización del diseño de Subestaciones Convencionales. UNIÓN

FENOSA.


99

1. Cálculos

En este apartado se van a detallar los cálculos que han sido necesarios

para el diseño final de la cimentación. Aquí se incluirán los cálculos de las

cargas que sufren las cimentaciones y los desarrollos necesarios para la

elección de los embarrados de las subestaciones.

También se van a exponer los detalles de las comprobaciones realizadas

por el ordenador de dichos diseños, a través del programa CYPE

Ingenieros.

1.1. Cálculo de los embarrados

El cálculo de los embarrados ha sido basado en el documento de UNIÓN

FENOSA “Normalización del diseño de Subestaciones Convencionales”.

Los conductores que forman los embarrados de las tres subestaciones

que se han diseñado, estarán formados por tubos de aluminio, material

más ligero y barato que el cobre.


100

Figura Figura Figura Figura 45454545. Gráfica para el cálculo del diámetro de los conductores.. Gráfica para el cálculo del diámetro de los conductores.. Gráfica para el cálculo del diámetro de los conductores.. Gráfica para el cálculo del diámetro de los conductores.

Dependiendo de la intensidad nominal de la subestación y calculadas

según el gráfico de la Figura 45, las dimensiones de los embarrados de las

diferentes subestaciones se detallan en la Tabla 10.

El diámetro interior ha sido estandarizado según los valores comerciales

del fabricante INCASA

Nivel de TensiónNivel de TensiónNivel de TensiónNivel de Tensión 230 kV230 kV230 kV230 kV 132 kV132 kV132 kV132 kV 66 kV66 kV66 kV66 kV

Intensidad nominalIntensidad nominalIntensidad nominalIntensidad nominal 4000 2000 1250

Diámetro exterior/Diámetro exterior/Diámetro exterior/Diámetro exterior/

interiorinteriorinteriorinterior

150/

134

100/

94

80/

77

Tabla Tabla Tabla Tabla 10101010. Relación de conductores. Relación de conductores. Relación de conductores. Relación de conductores


101

1.2. Cálculo de las cargas.

En este apartado se van a calcular las fuerzas que afectan a la estructura

soporte de la aparamenta de una subestación. Como ya se ha explicado,

estas fuerzas dependen del tipo de subestación y del escenario.

1.2.3. Subestación de 230 kV.

La carga debida a cortocircuito en la subestación tipo de 230 kV es para

todos los aparatos la misma, calculada en la ecuación E-1. Para calcular la

fuerza en cada aparato hay que utilizar la ecuación E- 6. La distancia entre

aparatos figura en el plano del Perfil de la Subestación de 230 kV adjunto

en la sección Planos.

E-E-E-E-5555

mNe

IccQcc /410400

3232.168.932.168.922

=⋅⋅=⋅⋅=


e: Separación entre fases (cm)”

E- E- E- E- 6666 dQccFcc ⋅=

d: distancia entre aparatos

Para el cálculo de la fuerza debida a la presión del viento sobre el aparato,sólo hay que multiplicar la presión por el área máxima proyectada delaparato. En la


102

Tabla 11 viene detallada la fuerza del viento y el peso para cada aparato.

La fuerza del viento sobre la estructura y el peso de ésta son estimados

por el programa CYPE Ingenieros.

AparamentaAparamentaAparamentaAparamentaPesoPesoPesoPeso

(kg)(kg)(kg)(kg)

Área Máx.Área Máx.Área Máx.Área Máx.

(m(m(m(m2222))))

Fv (kg)Fv (kg)Fv (kg)Fv (kg)

(120 km/h)(120 km/h)(120 km/h)(120 km/h)


(160 km/h)(160 km/h)(160 km/h)(160 km/h)

AutoválvulaAutoválvulaAutoválvulaAutoválvula 38 0.154 15.4 27.26

S. PantógrafoS. PantógrafoS. PantógrafoS. Pantógrafo 162 2.37 237 420

S. GiratorioS. GiratorioS. GiratorioS. Giratorio 2160 1.67 167 295.6

T. IntensidadT. IntensidadT. IntensidadT. Intensidad 650 1.757 175.7 311

T. TensiónT. TensiónT. TensiónT. Tensión 650 1.9 190 336.3

InterruptorInterruptorInterruptorInterruptor 1500 1.1 110 194.7

Tabla Tabla Tabla Tabla 11111111. Esfuerzos en Subestación de 230 kV. Esfuerzos en Subestación de 230 kV. Esfuerzos en Subestación de 230 kV. Esfuerzos en Subestación de 230 kV

Para el cálculo de la fuerza del viento sobre los embarrados, hay que

multiplicar la presión del viento sobre conductores (60kg/m2 para 120

km/h, según RAT para conductores de más de 16mm de diámetro) por el

área de exposición, como se detalla en la ecuación E-3.

E- E- E- E- 7777 eeDiFv ⋅=⋅⋅= 960 kg

Di: diámetro del cable (metros)

e: distancia entre aparatos (metros)


103

Para una velocidad de 160km/h la presión del viento es la que se describe

en la ecuación E-4:

E- E- E- E- 8888 2

2

2

/5.106120

16060 mKgPv =⋅=



todos los aparatos la misma, calculada en la ecuación E- 9. Para calcular

la fuerza en cada aparato hay que utilizar la ecuación E- 10. La distancia

entre aparatos figura en el plano del Perfil de la Subestación de 132 kV

adjunto en la sección Planos.

E- E- E- E- 9999

mNe

IccQcc /347300

5.2532.168.932.168.922

=⋅=⋅⋅=



E- E- E- E- 10101010 dQccFcc ⋅=


Para el cálculo de la fuerza debida a la presión del viento sobre el aparato,

sólo hay que multiplicar la presión por el área máxima proyectada del

aparato. En la Tabla 3 viene detallada la fuerza del viento y el peso para

cada aparato. La fuerza del viento sobre la estructura y el peso de ésta son

estimadas por el programa CYPE Ingenieros.


104

Tabla 3. Esfuerzos en Subestación de 132 kVTabla 3. Esfuerzos en Subestación de 132 kVTabla 3. Esfuerzos en Subestación de 132 kVTabla 3. Esfuerzos en Subestación de 132 kV





E- E- E- E- 11111111 eeDiFv ⋅=⋅⋅= 660 kg




(kg)(kg)(kg)(kg)


(m(m(m(m2222))))


(120 km/h)(120 km/h)(120 km/h)(120 km/h)


(160 km/h)(160 km/h)(160 km/h)(160 km/h)


S. PantógrafoS. PantógrafoS. PantógrafoS. Pantógrafo 126 1.5 150 265.5

S. GiratorioS. GiratorioS. GiratorioS. Giratorio 1515 1.57 157 277.9

T. IntensidadT. IntensidadT. IntensidadT. Intensidad 490 1.2 120 212.4

T. TensiónT. TensiónT. TensiónT. Tensión 335 1 100 177

InterruptorInterruptorInterruptorInterruptor 1560 1.07 107 189.4


105

Para una velocidad de 160km/h la presión del viento es la que se

describe en la ecuación E-8:

E- E- E- E- 12121212 2

2

2

/5.106120

16060 mKgPv =⋅=



todos los aparatos la misma, calculada en la ecuación E-9. Para calcular la

fuerza en cada aparato hay que utilizar la ecuación E-10. La distancia entre

aparatos figura en el plano del Perfil de la Subestación de 66 kV adjunto en

la sección Planos.

E-9E-9E-9E-9

mNe

IccQcc /3.693150

5.2532.168.932.168.922

=⋅⋅=⋅⋅=



E- 10E- 10E- 10E- 10 dQccFcc ⋅=


Para el cálculo de la fuerza debida a la presión del viento sobre el aparato,

sólo hay que multiplicar la presión por el área máxima proyectada del

aparato. En la Tabla 4 viene detallada la fuerza del viento y el peso para


106

cada aparato. La fuerza del viento sobre la estructura y el peso de ésta son

estimadas por el programa CYPE Ingenieros.

Tabla 4. Esfuerzos en Subestación de 66 kVTabla 4. Esfuerzos en Subestación de 66 kVTabla 4. Esfuerzos en Subestación de 66 kVTabla 4. Esfuerzos en Subestación de 66 kV





E- 11E- 11E- 11E- 11 eeDiFv ⋅=⋅⋅= 8.460 kg




(kg)(kg)(kg)(kg)


(m(m(m(m2222))))


(120 km/h)(120 km/h)(120 km/h)(120 km/h)


(160 km/h)(160 km/h)(160 km/h)(160 km/h)


S. GiratorioS. GiratorioS. GiratorioS. Giratorio 430 0.212 21.2 37.5

T. IntensidadT. IntensidadT. IntensidadT. Intensidad 335 0.654 65.4 115.76

T. TensiónT. TensiónT. TensiónT. Tensión 245 0.68 68 120.36

InterruptorInterruptorInterruptorInterruptor 450 0.822 82.2 145.5


107

Para una velocidad de 160km/h la presión del viento es la que se describe

en la ecuación E-12:

E-12E-12E-12E-12 2

2

2

/5.106120

16060 mKgPv =⋅=

La carga debida a las aceleraciones sísmicasaceleraciones sísmicasaceleraciones sísmicasaceleraciones sísmicas del terreno, han sidosimuladas a través del programa CYPE. La simulación ha sido la mismapara las tres subestaciones y ha seguido la norma CFE93, con losparámetros de configuración de la

Figura 46.

Figura Figura Figura Figura 46464646. Características del sismo.. Características del sismo.. Características del sismo.. Características del sismo.


108

1.3. Verificación de los resultados

En este apartado se van a exponer las comprobaciones hechas mediante

ordenador a las cimentaciones diseñadas. El nombre de la cimentación

correspondiente se incluirá al pie de las tablas.

Se incluye también una comprobación del método utilizado por el

ordenador, mediante el diseño de la zapata sin herramientas informáticas.

De entre todos los métodos que existen para calcular las cimentaciones de

los apoyos de una subestación, vamos a utilizar el de Sulzberger, uno de

los más habituales en este tipo de diseños.

a)a)a)a) Método de Sulzberger.Método de Sulzberger.Método de Sulzberger.Método de Sulzberger.

Para calcular las dimensiones necesarias en la cimentación de un

apoyo, lo primero que debemos conocer es el momento de vuelco del

apoyo, el cual viene determinado por la fórmula E-13.

E-13E-13E-13E-13 )3

2( hHFMv +⋅=

Mv es el momento de vuelco de todas las fuerzas exteriores

expresada en metros por tonelada

F es la fuerza flectora resultante que actúa sobre el apoyo en

toneladas. Generalmente se suele tomar el esfuerzo en punta del

apoyo elegido.

H es la altura sobre el terreno, hasta el punto de aplicación de F, en


109

metros (3.2m en nuestro caso)

h es la altura de la cimentación en metros.

La cimentación diseñada mediante ordenador, tiene una

sobrecarga en el extremo superior del apoyo de 5 kN (0.51 Toneladas).

Las dimensiones de la cimentación propuesta por el programa CYPE

es una cimentación de 200x200x40 cm.

El momento de vuelco debemos contrarrestarlo por una parte con el

momento estabilizador del terreno MMMM1111 y por otra con el momento

estabilizador del bloque de hormigón y el peso propio del apoyo MMMM2.2.2.2.

E-14E-14E-14E-14 4

1 139.0 haKM ⋅⋅⋅=

E-15E-15E-15E-15 )(4.02 apoyocim PPaM +⋅⋅=

M2 el momento de las cargas verticales en metros por tonelada

a es el lado de la cimentación en metros.

K = 10 para terrenos normales

Papoyo= 135 kg Pcim= 3500 kg

Resolviendo, en el ejemplo que estamos diseñando:

768.1)4.03

22.3(51.0 =+⋅=Mv m.Tn


110

0711.04.0210139.04

1 =⋅⋅⋅=M m.Tn

9.2)135.05.3(4.02 =+⋅⋅= aM m.Tn

Ahora hay que comprobar que el momento de vuelco es más pequeño

que los momentos estabilizadores:

21 MMMv +≤

0711.09.2768.1 +≤

Coeficiente de seguridad 7.1768.1

9711.2 ==n

Según el Reglamento RLAT, el coeficiente de seguridad, en hipótesis

normales, no deberá ser inferior a 1,5.

La comprobación de esta zapata por ordenador está registrada en las

Figuras 3 y 4.


111

Figura 3. Comprobación del método.


112

Figura 4. Comprobación del método


113

b)b)b)b) Subestación de 230 kVSubestación de 230 kVSubestación de 230 kVSubestación de 230 kV

Comprobación de zapata 1.Seccionador Pantógrafo, escenario 1


114

Comprobación de zapata 2. Seccionador Pantógrafo, escenario 1.


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Comprobación de zapata 3. Seccionador Pantógrafo, escenario 2


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Comprobación de zapata 7. Autoválvula, escenario 1


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Comprobación de zapata 13. Seccionador Giratorio, escenario 1


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Comprobación de zapata 19. Transformador de Intensidad, escenario 1


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Comprobación de zapata 25. Transformador de Tensión, escenario 1


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Comprobación de zapata 29. Transformador de Tensión, escenario 3.


142

Comprobación de zapata 30. Transformador de Tensión, escenario 3.


143

Comprobación de zapata 31. Interruptor, todos los escenarios.


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c)c)c)c) Subestación de 132 kV.Subestación de 132 kV.Subestación de 132 kV.Subestación de 132 kV.



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Comprobación de zapata 59. Seccionador Pantógrafo, todos los escenarios.


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Comprobación de zapata 60. Seccionador Pantógrafo, todos los escenarios.


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d) Subestación de 66 kV.Subestación de 66 kV.Subestación de 66 kV.Subestación de 66 kV.



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info subestaciones

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