DISEÑO SUBESTACION ELECTRICA 138KV

8/12/2019 DISEO SUBESTACION ELECTRICA 138KV

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DISEO DE UNA SUBESTACIONEN 138 Kv

SANTIAGO JARAMILLO V. 8vo ELCTRICA JUNIO 2010


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RELES DIFERENCIALES

CARACTERISTICAS DE LA SUBESTACION SEP II

DISEO DE UNA SUBESTACIONDISEO DE UNA SUBESTACIONU.P.S.U.P.S.

La subestacin SEP II est diseada como subestacin dseccionamiento y transformacin.

Los equipos en 138 Kv son aislados en aire, la parte de 4 kV es voltaje de generacin que a su vez se deriva para el servicio destacin por un transformador de 300 Kva de 4.0/ 0,40 v dedonde se contiene en cabinas tipo interior con interruptores dvaco.Los transformadores de potencia son de 10/12 MVA enfriado paire forzado por aire (FA).

OBJETIVOS DEL DISEOEl objetivo es proporcionar mxima confiabilidad, flexibilidcontinuidad del servicio , alta seguridad operacional ydurabilidad de manera que satisfagan las necesidades del sistema


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RELES DIFERENCIALES


CONSIDERACIONES DEL DISEO

Depende de

Factorescomo:

- nivel de voltaje- capacidad de carga

- consideraciones ambientales- limitaciones de espacio en el terreno.

a) Aspectos econmicosb) Importancia de la subestacin en el sistema

elctrico de potencia al que est sirviendo.

c) Confiabilidad o sea alta probabilidad deejecutar todas las funciones previstas.

d) Costos bajos en la operacin y en elmantenimiento.

Para el sistemade barras deuna subestacin,se la debeconfigurartomando encuenta :


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RELES DIFERENCIALES


ESTUDIO DE LA COORDINACION DEL AISLAMIENTO

Comprende la seleccin de la soportabilidad o resistencia elctride un equipo y su aplicacin en relacin con las tensiones qpueden aparecer en el sistema en el cual el equipo ser utilizadoteniendo en cuenta las caractersticas de los dispositivos deproteccin disponibles,La seleccin de niveles de aislamiento afecta el costo en formconsiderable .

El descenso de un nivel bsico de aislamiento (BIL) puedreducir el costo del equipo electrico en importantes miles dedolares

COORDINACION DEL AISLAMIENTO


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RELES DIFERENCIALES


Nivel 1 : Tambin llamado nivel alto. Seutiliza en los aislamientos internos,(sincontacto con el aireNivel 2 : Tambin llamado medio o deseguridad, que estn en contacto con el aire.Este nivel se adecua de acuerdo con la alturasobre el nivel del mar de la instalacin y seutiliza en todos los aisladores de aparatos,barrajes y pasamuros de la subestacin queestn en contacto con el aire.

Nivel 3 : Tambin llamado bajo o deproteccin. Esta constituido por el nivel deoperacin de los explosores de los pararrayosde proteccin

COORDINACION DEL AISLAMIENTO

niveles desobretensinconsiderados enla coordinacinde aislamiento


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RELES DIFERENCIALES


ESTUDIO DE LA COORDINACION DEL AISLAMIENTOEl voltaje mximo del Sistema Nacional de transmisin, pregulacin del CONELEC, no puede ser superior al 5% del vnominal , para el caso de 138 kv, el valor mximo ser de 145 KvLa norma IEC 60071-1 establece que solamente dos clases dsobretensiones son suficientes para caracterizar el nivel deaislamiento del equipo cuando est en el rango de 1 a 250 Kv .

En la misma norma se asignan los valores de 450 550 y 650 kpico para equipo de 145 kV, se ha elegido 550 kV pico como nide impulso que los equipos deben resistir en el sitio de instalacin

La norma IEC 60071-2 establecela siguiente expresin paracorregir el valor de tensin de

impulso por altura:

= 81501000 H

m

a eK


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DETERMINACION DEL AISLAMIENTO

= 8150

1000 H m

a eK

Ka = el factor de correccinm = 1,0 para impulso y frecuencia industrialH = altura de la instalacin sobre el nivel

del mar (m)

Ka = 1,222902332 para 2.640 m

Los equiposdebernresistir

1,222902332 x 550 kvpico 662.03 kvpico

a nivel del mar para soportar 550 kVpico en la altura de instalacin yhasta los 3500 msnm aproximadamente.


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El valor normalizado ms prximo es 750 Kv pico para el impulsocorrespondiente onda de frecuencia industrial de corta duraciser 325 kVrms.

DETERMINACION DEL AISLAMIENTOTabla 5: niveles de aislamiento normalizado por IEC.


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SELECCIN DE LA DISTANCIA DE FUGA

Pruebas de un aislador en un laboratorio de alta tensin


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SELECCIN DE LA DISTANCIA DE FUGATabla 6: distancias mnimas entre partes energizadas F-F normalizado por IEC.

Segn la norma IEC 60071-2 establece las distancias mnimas entre partenergizadas y partes conectadas al potencial de tierra;


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As, para 750 kVpico una distancia deseguridad de 155 cm es suficiente tantopara un arreglo estructura-conductor opara estructura-varilla tanto para fase-neutro como para fase-fase.

Distancias mnimas fase-tierra y fase-fase

En el diseo de la subestacin, el arreglode equipo no solo mantiene una distanciasuperior a la de norma sino que permite lacirculacin de equipo motorizado necesariopara las labores de montaje,mantenimiento y eventuales retiros.


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RELES DIFERENCIALES


La subestacin est ubicada en un sitio que no es densamentpoblado, pero a futuro se ha considerado la construccin de un

carretera en donde el polvo, el smog de la maquinaria, ensucialos aisladores disminuyendo su capacidad de aislamiento aumentando la probabilidad de que se produzcan corrientes de fug


Segn la norma IEC 60815que establece 2,50 cm/kV,tomando el mximo voltajefase-fase

As se tiene que para 138 kVla distancia ser 345 cm(2.5 x 138 kv) y 10 cmpara 4 kV.

min 345 cm


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DISTANCIAS DE SEGURIDAD

DISTANCIAMINIMA PARAVEHICULOS

D = (d+0.7) + 0.9= (2.5+0.7) + 0.9 =4.1m

H =(d+0.7) + 2.25=(2.5+0.7) + 2.25 =5.15m

DISTANCIAMINIMA PARAAREA DE TRABAJO

D = (d+1.75) + 0.9= (2.5+1.75) + 0.9 =5.15m

H =(d+1.25) + 2.25=(2.5+1.25) + 2.25 =6 m


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DISTANCIAS DE DISEO

Se refiere al dimensionamiento de las distancias entre partes vivaque se requieren en instalaciones convencionales.

La determinacin deestas dimensiones se

efecta mediante elcalculo de lasdistancias dielctricasentre las partes vivasdel equipo y entre

estas y lasestructuras, muros,rejas y el suelo.

1 Altura de los equipossobre el nivel del suelo.

2 Altura de las barras colectorassobre el suelo.

3 Altura de remate de las lneasde transmisin que llegan a lasubestacin.


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ALTURA DE LOS EQUIPOS SOBRE EL NIVEL DEL SUELO

hs = 2.5 + 0.0105*Um

hs = 2.30 + 0.0105*138kV= 3.749 m

La altura mnima hs, de las partes vivas sobre el nivel del suelo en ningncaso debe ser inferior a 3 metros, si no se encuentran aisladas porbarreras de proteccin. La altura mnima de la base de los aisladores qusoportan partes vivas no debe ser menor de 2.25 metros.La altura mnima de las partesvivas de cualquier equipo secalcula de acuerdo con lasiguiente expresin:

hs


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La expresin que proporcionala altura de las barras

colectoras (he), considerandola sensacin de campoelctrico es la siguiente:

he= 5.0 + 0.0125 x Um he = 5.0 + 0.0125 x 138kVhe = 6.72 m

La altura de las barras sobre el nivel del suelo debe considerar laposibilidad de que al pasar una persona por debajo de las barras, estareciba la sensacin del campo elctrico

ALTURA DE LAS BARRAS COLECTORAS SOBRE EL NIVELSUELO

he


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he= 5.0 + 0.006 x Um he = 5.0 + 0.006 x 138kVhe = 5.82 m

Los conductores de las lneas de transmisin que llegan o salen de usubestacin no deben rematar a una altura hi inferior a 6m. Dicha altura sepuede obtener de la relacin:

ALTURA DE REMATE DE LAS LINEAS DE TRANSMISION

he

he


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RELES DIFERENCIALES

CONSTRUCCION DE LA MALLA A TIERR


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RELES DIFERENCIALES


La malla de tierra de una subestacin permite brindar seguridad apersonal ante la eventualidad de una falla fase a tierra adems depreservar la integridad de los equipos y de proporcionar lreferencia de potencial cero para toda la instalacin.

Introduccin.-

La seguridad de personal,especialmente durante eldesarrollo de fallas a tierra, seobtiene al asegurar que lasdiferencias de potencial a las quese someta al cuerpo humano, alcaminar en la subestacin o altocar un elemento metlico, seansustancialmente menores queaquellas que se consideranpeligrosas para la vida.


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U.P.S.U.P.S.

Tensin Permisible de Paso.

Tensin Permisible de contacto.

Configuracin de la malla. Resistividad del terreno

Tiempo mximo de despeje de la falla.

Conductor de la malla.

Profundidad de instalacin de la malla.

DISEO DE UNA MALLA DE PUESTA A TIERRAEl diseo de una malla a tierra est afectado por lassiguientes variables:

DISEO DE UNA SUBESTACIONDISEO DE UNA SUBESTACION


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U.P.S.U.P.S.

Tensin Permisible de Paso.

Tensin Permisible de contacto.

L I

K K E isP

..=

P E Tensin de paso real en voltiosKs Coeficiente que tiene en cuenta la influencia

combinada de la profundidad y delespaciamiento de la malla

Ki Coeficiente de irregularidad del terrenoResistividad del suelo (

I Corriente mxima de falla (Amp) L Longitud del conductor (m)

L

I K K E

imt

..=

t E Tensin de contacto en voltios

Km Coeficiente que tiene en cuenta las

caractersticas de la malla



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U.P.S.U.P.S.

Configuracin de la malla. Determinacin de los coeficientes Km , Ki, KsPara la determinacin de los coeficientes esnecesario tener en cuenta las siguientesdefiniciones

A

BA longitud de la mallaB ancho de la malla

L longitud total del conductor

n nmero de conductores en paralelo de long A

m nmero de conductores en paralelo de long B

D espaciamiento entre conductores (m)

h profundidad del enterramiento (m)

d diametro del conductor (m)

La longitud del conductor esta dada por L = n * A + m * B



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U.P.S.U.P.S.

+

= ..........

8

7.

6

5.

4

3ln

1

16ln

2

1 2

hd D

K mDeterminacin de Km n-2 trminos

+++

+

+= ..........

3

1

2

11

2

11

D Dh Dh

K s

Ki = 0,65 + 0,172 n n 7Determinacin de Ki

Determinacin de Ks

Resistividad del terrenoSe lo puede realizar por el mtodo de Laurent y Niemann

+=

L A R

11443,0

R resistencia en ohmios

A area de la malla de puesta a tierra en m2 resistividad del suelo (-m)

L longitud del conductor (m)



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RELES DIFERENCIALES


CALCULO DE MALLA A TIERRA

El clculo de la malla de tierra se har siguiendo lasrecomendaciones de la norma IEEE 80 IEEE Guide for Safety iAC Substation Grounding.

Resistividad del suelo (): 25 mrea del terreno(A) 32000 m2 Tiempo de duracin de una falla a tierra (tf) 1 sProfundidad a la que se entierra el conductor (h) 0,6 m

Resistividad de la grava (s) 2500 mAltura de la capa de grava (hs) 0,15 mMxima corriente de cortocircuito fase-tierra(3I0) 15000 AFactor de divisin de corriente (Sf) 0,6

Datos de entrada


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[ ] // 1651

165,0

165,0

mA I

I

t I

K

K

K

=

=

= ( )

( )[ ]

[ ] // 75,16871

157,0250065,061000

157,061000

V E

E

t C E

paso

paso

ss paso

=

+=

+= ( )

( )[ ]

[ ] // 6875,5391

157,0250065,05,11000

157,05,11000

V E

E

t C E

toque

toque

sstoque

=

+=

+=

[ ] // 90001150006,0

A I

I

D I S I

G

G

f f f G

=

=

=

[ ] // 2055,032000206,01

11

3200020

1

2023

125

201

11

20

11

=

+++=

+++=

g

g

g

R

R

Ah A L R

[ ] [ ] // 23,7635,1849

90002055,0

V V GPR

GPR

I RGPR Gg

>=

=

=

( ) ( ) // 6818785,0

192

1

2

1

19

22 === iiiin

ii K K n

K

I. DE CORTOCIRCUITO TENSION DE PASO TENSION DE TOQUE

I. MALLA RESISTENCIA DE MALLA EN FUNCION DE LA RESISTIVIDAD

ELEVACION DEL POTENCIAL DELSUELO

COEFICIENTE DE IRREGULARIDAD DEL TERRENO


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( )( )

( )( )

// 6675,0

11928ln

4936691,16818785,0

0105,046,0

0105,0486,024

0105,06,0164ln

21

12

8ln

48

2

16ln

2

1

22

22

=

+

++=

+

++=

m

m

h

iim

K

K

nK

K

d h

Dd h D

hd D

K

( ) ( )

( ) ( )

// 4951495,2

423,0119ln1192

1

423,01ln12

1

=

+

=

+=

W

W

nnW

// 5330137,0

4951495,24

1

6,04

1

6,02

11

11

2

11

=

++

+=

+++=

s

s

s

K

K

W Dh DhK

[ ] // 240608,2402023

236,36675,0900025

V E

E

L

K K I E

m

m

imGm

=

=

=

[ ] // 8375062,191

2023

236,35330137,0900025

V E

E

L

K K I E

s

s

isGs

=

=

=

COEFICIENTE QUE TIENE EN CUENTA LAS CARACTERIZTICAS DE LA MALLA

COEFICIENTE QUE TIENE EN CUENTA LAINFLUENCIA DE LA PROFUNDIDAD DE LA

MALLA

POTENCIAL DE MALLA DE TIERRA


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[ ] // 240608,2402023

236,36675,0900025

V E

E

LK K I E

m

m

imGm

=

=

=

[ ] // 8375062,1912023

236,35330137,0900025

V E

E

LK K I E

s

s

isGs

=

=

=

POTENCIAL DE MALLA DE TIERRA

En resumen, la malla principal de la subestacin se construircon cable de cobre 2/0 AWG, enterrado 0,6m, formandocuadriculas de aproximadamente 4 m. La longitud mnimaceptable total sera de 2023 m.


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APANTALLAMIENTO DE LA SUBESTACION


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OBJETIVOAPANTALLAMIENTO DE LA SUBESTACION

El apantallamiento tiene por objeto evitar que ocurran descarga

atmosfricas directas sobre las barras o sobre el equipo de la subestacin

El apantallamientoes un sistemacompuesto porcables denominadosde guardia ymstiles metlicos,

ambos conectadosdirectamente a lamalla de tierra.


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CONFIGURACION DEL APANTALLAMIENTOLas estructuras metlicas de los prticos de la subestacin terminen mstil.

Utilizando el mtododescrito por la normaDIN VDE 0101,

Se determina que lasbarras, para estarprotegidas por elapantallamiento, deberanestar como mximo a13.50 m de altura.


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CONFIGURACION DEL APANTALLAMIENTO

5 H

M

3H

H

L h

El ngulo entre el punto M y el puntode altura h que esta a 7.0 m desde eleje del mstil se calcula como:L = 39.13 m-7.0 m = 32.13 m

sen = 32.13/52,5 = 0.616

La altura hasta la que el apantallamiento cubre a una distancia de 7.0 mdel eje del mstil es: h = 0.2091 x 52.5 m =10.98 m

= 37.73 cos = 0.7908cos-1 = 0.2091

La distancia hasta la cual el apantallamiento cubre una altura de 6,00 mes de 14.75 m.

H = altura del mstil = 17,50 m5 x 17,5 = 39.13 m 3H = 52.5 m


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RELES DIFERENCIALES


De acuerdo al detalle de cargas a servir, consideraciones decrecimiento de la demanda y reserva, se instalar dostransformadores que se derivan desde el primario deltransformador de potencia.

TRANSFORMADORES PARA SERVICIOS AUXILIARES 4000/440

La estimacinde carga delos sistemasauxiliares esde 71.9 KVA

- La demanda elctrica para las serviciosauxiliares del transformador de potencia ainstalarse y futuro, es de 16.64 KVA

- La estimacin de carga de la subestacin paracalentadores, motores, iluminacin y tomas deequipos y alumbrado interior y exterior de la salade control es de 47.53 KVA

- Finalmente, la alimentacin redundante a doscargadores de bateras tiene una demanda de8.75 KVA.

CARGA TOTAL 16.64+ 47.53 + 8.75 = 72.92 KVA 75 kVA


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RELES DIFERENCIALES


BANCO DE BATERIASComo respaldo, habr un banco de bateras con bateras de plomo-acidque suministrar corriente continua de 125 Vcc a los circuitos de controlmotores de equipos de proteccin y seccionamiento en caso de falla de

alimentacin a los cargadores de bateras.Se ha definido un solo banco que satisfaga la demanda de los servicioauxiliares de la casa de mquinas y de la subestacin.

Comprende la provisin de :

- Un (1) banco de bateras plomo-acido, de 125 V, 200 Ah, 8 hs.- Dos (2) rectificadores autoregulados, dimensionados para 35 A.La fabricacin y funcionamiento se regir a las normas IEC 623 o 896-Se aplicar siempre la ltima versin vigente de la norma

ESPECIFICACIONES TECNICAS PARA BATERIAS Y CARGADOR


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ESQUEMAS UNIFILARES DE LA SUBESTACION SEP

DIAGRAMA UNIFILAR


36/42

S 1

S 2

S 3

S 4L / T 1 L / T 2

BARRA 2

BARRA 1

4.2 kv 480 v

75 KVA

Y

10 / 12MVA

G 1

138 /4.2 kv

Y

138/4.2 kv

10 / 12MVA

G 2

Y

75KVA

4 .2kv480 v

YSERVICIO DEESTACION B

SERVICIO DEESTACION A

DIAGRAMA UNIFILAR

DIAGRAMA UNIFILAR


37/42

BARRA 1 138 KV

SERVICIO DEESTACION B

BARRA 2 138 KV

TRANSF.4/138 Kv

10/12 MVADY1

52-289-2

TRANSF.4/ 0,44Kv

75 KVADY1

152-2 152-B

TRANSF.4/138 Kv

10/12 MVADY1

52-189-1

TRANSF.4/ 0,44Kv

75 KVADY1

152-1152-A

SERVICIO DEESTACION A

D-1

D-2

S-14

S-18

S-24

S-28

L-1

D-3

D-4

S-34

S-38

S-44

S-48

L-1

87 G

87 T

87G

87T

51

51

PT x 3 138/ 0,01Kv

DIAGRAMA UNIFILAR

DISEO DE UNA SUBESTACIONDISEO DE UNA SUBESTACIONU P SU P S


38/42


SIMULACION DE LA SUBESTACION EN POWERWORLD

DISEO DE UNA SUBESTACIONDISEO DE UNA SUBESTACIONU P SU P S*


39/42


( )

[ ] // 44,19010100

101386

23

2

=

=

=

BASE

BASE

BASE

BASE BASE

Z

Z

S

V Z

[ ] // ...1732051,0103,0

52

52

52

u p Zo

Zo

X X Zo C L

=

=

=

[ ] // 9851756,3244,1901732051,0

52

52

==

Zo Zo

( )

[ ] // 3502692,5779851756,32

10138

52

23

52

52

2

52

MVASIL

SIL

ZoV SIL FF

=

=

=

// %5

1003502692,577

8675135,28

10052

52

=

=

=

n

n

SILS n

CALCULO DEL RENDIMIENTOZ CARACTERISTICA DE LA LINEA 2-5

RENDIMEINTO DE LA LINEA 2-5

DISEO DE UNA SUBESTACIONDISEO DE UNA SUBESTACIONU P SU P S*


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CALCULO DEL RENDIMIENTO

[ ] // ...1732051,0103,0

53

53

53

u p Zo

Zo

X X Zo C L

=

=

=

[ ] // 9851756,3244,1901732051,0

53

53

=

=

Zo

Zo

( )

[ ] // 3502692,5779851756,32

10138

53

23

53

53

2

53

MVASIL

SIL

ZoV

SIL FF

=

=

=

// %5

1003502692,577

8675135,28

10053

53

=

=

=

n

n

SIL

S n

*

Z CARACTERISTICA DE LA LINEA 3-5


[ ] // ...1732051,0103,0

62

62

62

u p Zo

Zo

X X Zo C L

=

=

=

[ ] // 9851756,3244,1901732051,0

62

62

=

=

Zo

Zo


DISEO DE UNA SUBESTACIONDISEO DE UNA SUBESTACIONU P SU P S


41/42


( )

[ ] // 3502692,5779851756,32

10138

62

23

62

62

2

62

MVASIL

SIL

ZoV

SIL FF

=

=

=

// %6

1003502692,577

6410162,34

100

62

62

=

=

=

n

n

SIL

S n

*

[ ] // ...1732051,0103,0

63

63

63

u p Zo

Zo

X X Zo C L

=

=

=

[ ] // 9851756,3244,1901732051,0

63

63

=

=

Zo

Zo

( )

[ ] // 3502692,5779851756,32

10138

63

23

63

63

2

63

MVASIL

SIL

ZoV

SIL FF

=

=

=

// %6

1003502692,577

6410162,34

10063

63

=

=

=

n

n

SILS

n

CALCULO DEL RENDIMIENTO





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DISEÑO SUBESTACION ELECTRICA 138KV

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