SUBESTACIONES ELCTRICAS

DISEO DE UNA SUBESTACIN 110KV/34.5 KVTIPO DE SUBESTACIN INTERRUPTOR Y MEDIO

PRESENTADO A: INGENIERO ALFREDO LVAREZ SOLANO

PRESENTADO POR:

ORLANDO JOS VISBAL PALOMINOLUIS SAMIR DAZ LOBOS

UNIVERSIDAD DEL SINFACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERASPROGRAMA DE INGENIERA ELCTRICAMONTERA2011INTRODUCCIN

En todos los pases del mundo, un servicio de alimentacin elctrica continuo, confiable y adecuado a las necesidades del pas constituyen en un factor importante para obtener una buena eficiencia en el sistema elctrico. Para alcanzar este objetivo, las subestaciones elctricas juegan un papel determinante; es por eso que seleccionar y/o disear una subestacin elctrica requiere de una seleccin adecuada de los equipos que lo componen.

El ingeniero electricista a cargo del diseo de una subestacin elctrica, debe tener en cuenta el proyecto de construccin de la misma, debe tambin seleccionar el equipo de proteccin, transformacin, conexin, tierras y control que considere el ms apropiado, de acuerdo a las necesidades de dicha subestacin y el propsito de la misma. Adems se debe seleccionar la ubicacin adecuada para sta considerando varios factores como los ambientales, acceso a la lnea principal, distancias y proyecciones futuras.

RESUMEN

Este trabajo se enfoca en el diseo de una subestacin de 110KV/34.5 KV tipo Interruptor y Medio ubicada en las inmediaciones del Cerro Monserrate en Bogot, en el departamento de Cundinamarca, a una altura de 3600 m.s.n.m.

En este trabajo se tiene un esquema que representa la subestacin en esquema interruptor y medio y la descripcin de cada equipo a utilizar en la misma, tomando en cuenta los costos de un proyecto de esta magnitud se tiene presente los costos del terreno, el tipo de subestacin y los equipos a utilizar.

OBJETIVOS

General

Realizar la mayor cantidad de consideraciones posibles que se puedan, para el diseo de una subestacin a 110KV, dejando un diseo ptimo en costo y funcionalidad.

Especficos

1. Conocer de manera especfica cada componente que conforma una subestacin elctrica.

1. CONCEPTOS GENERALES DE SUBESTACIONES ELCTRICAS

1.1 DefinicinUnasubestacin elctricaes una instalacin destinada a modificar y establecer los niveles de tensinde una infraestructura elctrica, con el fin de facilitar eltransporteydistribucinde laenerga elctrica. Su equipo principal es eltransformador.Como norma general, se puede hablar de subestaciones elctricaselevadoras, situadas en las inmediaciones de lascentrales generadoras de energa elctrica, cuya funcin es elevar el nivel de tensin, hasta 132, 220 o incluso 400KV, antes de entregar la energa a lared de transporte. Las subestaciones elctricasreductoras, reducen el nivel de tensin hasta valores que oscilan, habitualmente entre 13,2, 15, 20, 45 66 kV y entregan la energa a lared de distribucin. Posteriormente, loscentros de transformacinreducen los niveles de tensin hasta valores comerciales (baja tensin) aptos para el consumo domstico e industrial, tpicamente 400V.

2. PLANEACINPara la subestacin diseada se tuvieron en cuanta las siguientes condiciones.2.1 MOTIVO DE LA CONSTRUCCIN DE LA SUBESTACINLa subestacin se construye para satisfacer las necesidades de la zona, ya que se pretende la construccin de un nuevo telefrico y la construccin de una clnica y un hospital especializados, adems ampliar interconectar nuevos usuarios con alta demanda por lo que se ve en la necesidad de reforzar el sistema de potencia para esta zona, ya que el actual no cumple con la capacidad de suministro.La subestacin transmitir y distribuir energa elctrica por dos lneas de 110 KV a dos lneas de 34,5 KV respectivamente. Por lo anterior la subestacin a disear es a 110KV.

2.2 UBICACIN Y CARACTERSTICAS DE LA REGINSe ubicara en la zona ms alta del Cerro Monserrate, en la zona de ms fcil acceso posible. Las condiciones atmosfricas son las siguientes:

Altura3600 m.s.n.m

Humedad72%

Punto de Roco10 C

Presin Atmosfrica1126 mb

Viento32 Km/h

Temperatura11 C

2.3 REQUERIMIENTOS DE LA SUBESTACIN Alimentar dos circuitos de 100 MVA Suministro continuo de Energa Facilidad de Mantenimiento Altura de 3600 m.s.n.m

Figura 1. Diagrama Unifilar

2.4 CONFIGURACIONES PROPUESTASCon el fin de satisfacer los requerimientos de la subestacin a disear, se proponen las siguientes alternativas, estas por sus caractersticas son aptas para cumplir dichos requerimientos:

2.4.1 INTERRUPTOR Y MEDIOEsta configuracin debe su nombre al hecho de exigir tres interruptores por cada dos salidas. El grupo de los tres interruptores, llamado dimetro, se conecta entre dos barrajes principales. Se puede hacer mantenimiento a cualquier interruptor o barraje sin suspender el servicio y sin alterar el sistema de operacin, adems, una falla en un barraje no interrumpe el servicio a ningn circuito, presentando as un alto ndice de confiabilidad y de seguridad tanto por falla en los interruptores como en los circuitos y en las barras. Normalmente se opera con las dos barras energizadas y todos los interruptores cerrados, y por tal motivo (igual que en el caso del anillo) no es flexible; adems, el tener dos barras no significa que los circuitos se puedan conectar independientemente a cualquiera de ellas, como es el caso de la doble barra.

Como en el caso del anillo, la desconexin de un circuito implica la apertura de dos interruptores. La proteccin y el recierre se complican por el hecho de que el interruptor intermedio (entre dos circuitos) debe trabajar con uno u otro de los circuitos asociados. Por otra parte, la falla de un interruptor en el peor de los casos slo saca de servicio un circuito adicional.La definicin de la capacidad de los equipos es difcil por cuanto exige prever la distribucin de las corrientes, especialmente durante contingencias. En el caso de que la estacin tenga un nmero impar de circuitos, uno de ellos necesitara dos interruptores.Usando el interruptor intermedio es posible pasar directamente a travs de la subestacin un circuito que normalmente entre a ella y que salga por el mismo campo, aunque es muy eventual este caso.Esta configuracin admite ciertas modificaciones para ahorrar alguna cantidad de equipos en salidas para transformadores, colocando un solo interruptor por campo y un seccionador a modo de transferencia o conectando directamente los transformadores a las barras.

2.4.2. ANILLOPermite buena continuidad de servicio, an en el caso de que salga de servicio cualquier campo de transformacin.En esta configuracin la barra colectora es un anillo formado por interruptores con los circuitos conectados entre cada dos de ellos. Para aislar un circuito es necesaria la apertura de los dos interruptores correspondientes, abrindose as el anillo. Cuando se quiere aislar un circuito por un perodo largo, se debe abrir el seccionador de la lnea para poder cerrar los interruptores asociados a dicho circuito y as dar continuidad al anillo.Es una configuracin econmica y segura adems de confiable, pero sin flexibilidad. Es segura y confiable por permitir continuidad de servicio por falla o durante mantenimiento de un interruptor ya que cada campo o circuito est asociado a dos interruptores. El principal inconveniente consiste en que, en caso de falla en un circuito, mientras se hace mantenimiento en otro del anillo, puede quedar seccionado y presentar falta de servicio en alguna partes o perderse la seguridad en el sistema. Para cumplir con las funciones de seguridad y confiabilidad para las cuales fue ideada esta configuracin, es necesario operarla con todos los interruptores cerrados (tal como es su operacin normal; por lo tanto, desde el punto de vista de la flexibilidad la subestacin es similar a una barra sencilla. Para efectos de distribucin de corrientes, los circuitos conectados al anillo se deben repartir de tal manera que las fuentes de energa se alternen con las cargas.Para situaciones prcticas conviene limitar el uso de estas configuraciones a un mximo de seis salidas. En el caso de ser necesario agregar ms, es preferible cambiar la configuracin a interruptor y medio. Por lo anterior, el diseo inicial de la subestacin debe prever esta circunstancia.La aplicacin de la disposicin en anillo exige especial cuidado en lo referente a ciertos aspectos como la operacin de dos interruptores con falla en una salida, el recierre automtico, lo mismo que la proteccin y la medida. El dao de un interruptor durante la falla en uno de los circuitos de salida origina la prdida de otro circuito debido a la operacin de la proteccin contra falla de interruptores. Adems, requiere dispositivos de potencial en todos los circuitos ya que no hay un punto de referencia definido (como una barra principal).

1.4.3. DOBLE BARRA CON DOBLE INTERRUPTOREn esta configuracin se duplican tanto las barras como los interruptores de cada circuito. Entre todas las configuraciones vistas, sta es la que presenta la mayor seguridad, tanto por falla en barras como en interruptores, tambin brinda una gran libertad de operacin, para trabajos de revisin y para mantenimiento. Con el fin de lograr la mayor seguridad, cada circuito se conecta a ambas barras, debiendo permanecer ambas energizadas. En algunos casos los circuitos se pueden separar en dos grupos, conectando cada uno a una barra; en tal condicin la falla en una de las barras saca de servicio todo lo que est conectado en ella, perdindose la seguridad que brinda la operacin normal y no justificndose el extra costo con respecto a una doble barra.Es la ms costosa de todas las configuraciones a expensas de su seguridad desde el punto de vista del suministro, por lo cual su adopcin en un caso particular requiere una justificacin cuidadosa. Tambin como en la configuracin de interruptor y medio, se puede modificar la conexin de los transformadores.

2.5 ANLISIS ECONMICO DE LAS CONFIGURACIONES Este es el requerimiento ms difcil. La menor cantidad de dinero invertido es el resultado de un adecuado planeamiento. No obstante, adems del costo de la inversin inicial (equipo, terreno y obras complementarias), el costo total de una subestacin incluye el costo marginal, el cual puede resultar de la inhabilitar de hacer uso en forma ms eficiente de la capacidad disponible de generacin durante toda la vida til de la subestacin.Cualquier decisin para adoptar un diseo particular de configuracin en una subestacin debe tener como base los requerimientos tcnicos, previendo que en lo econmico sea aceptable. Cualquier ahorro efectuado por el solo hecho de ahorrar en el costo inicial generalmente resulta contraproducente a largo plazo.Un mtodo simplificado para comparar el costo de distintas configuraciones consiste en asignar un valor 1.0 a los interruptores y de 0.2 a los seccionadores. Por ejemplo, si se quiere comparar para una subestacin de ocho (8) circuitos, con configuraciones de barra partida e interruptor y medio, se procede de la siguiente manera: Barra Partida:8 + 1 interruptores24 + 2 seccionadoresvalor comparativo = 9 + 26*0.2 = 14.2 Interruptor y medio:8*1.5 interruptores = 128*4 seccionadores = 32Valor comparativo = 12 + 32*0.2 = 18.4Lo que significa que la configuracin en interruptor y medio para una subestacin con ocho (8) circuitos es aproximadamente 29.6% ms costosa que la configuracin de doble barra.Con base en esta metodologa se puede asignar un valor comparativo a cada tipo de configuracin en funcin del nmero de circuitos o campos.Siendon,el nmero de campos, podemos afirmar: Barra sencilla = n*1 + n*0.2*2 = 1.4n Barra sencilla ms seccionamiento con interruptor = n*1 + n*0.2*2 + 1 + 0.2*2= 1.4(n+1) Barra sencilla ms seccionamiento con seccionador = 1.4n + 0.2 Barraje simple con transferencia = 1.6n + 1.4 Barraje simple seccionado con transferencia = 1.6n + 1.8 Barra partida = 1.6n + 1.4 Doble barraje ms seccionador con trasferencia = 1.8n + 1.4Nota: Para lograr un valor practico de esta configuracin debemos considerar el valor adicional que tienen los interruptores tipo pantgrafo (dos por campo), para lo cual suponemos que estos son un 25% ms costosos que los seccionadores convencionales. De esta forma el valor comparativo ser: 1.9n + 1.4. Doble barraje ms barra de transferencia (con campos de acople y transferencia)=1.8n + 3. Doble barraje ms barra de transferencia (con campo comn de acople y transferencia = 1.8n + 1.8 Doble barra ms seccionador de by-pass = 2n + 1.4 Doble barra ms seccionador de by-pass, seccionamiento con interruptor de una de las barras y un acople = 2n + 2.8 Doble barra ms seccionador de by-pass, seccionamiento de una de las barras y dos acoples = 2n + 4.2 Anillo = 1.6n Interruptor y medio = 2.3n Doble barra con doble interruptor = 3n Doble barra con doble interruptor sin seccionador de lnea = 2.8n Doble interruptor con un campo a manera de transferencia = 3n + 1.2La anterior metodologa tiene fines comparativos solamente. Para poder efectuar un presupuesto detallado es necesario conocer el valor FOB (freight on board) del equipo de algunas configuraciones en funcin del nmero de campos, calculando en forma muy detallada.Cuando se calcula el costo de una subestacin encapsulada en SF6 se debe tener en cuenta si la subestacin es del tipo intemperie o interior. Para el primer caso el equipo puede valer entre 5% y 10% ms del costo que tiene el equipo para instalaciones interiores. Para el ltimo caso, no obstante, es necesario evaluar el costo del edificio as como el costo de un puente gra indispensable para el montaje y mantenimiento de los equipos.Debido a la gran cantidad de aspectos particulares que intervienen en la evaluacin de costos es bastante difcil establecer factores de comparacin entre subestaciones convencionales y subestaciones encapsuladas en SF6. Pero si puede establecerse que para el caso de subestaciones de alta tensin, cuando no existen mayores problemas en obtener el rea de la subestacin, es ms econmico construirlas del modo convencional. Para subestaciones de extra alta tensin se pueden equiparar los costos.Econmicamente la configuracin ms apropiada es la de ANILLO, seguida por la de INTERRUPTOR Y MEDIO y por ltimo la de DOBLE INTERRUPTOR.

2.6 SELECCIN DE LA SUBESTACIN.Una de las razones para la seleccin del tipo de Subestacin es la clase de consumidores a suplir. Dado que los consumidores son netamente Industriales (motores telefricos) y dados la existencia de una clnica y hospital especializado, es necesario que el suministro de energa elctrica sea constante y confiable.Otra razn es el costo. Luego de comparar los costos dados por cada una de las configuraciones propuestas y teniendo en cuenta el cumplimiento de los requerimientos expresados anteriormente, se lleg a la conclusin de que la configuracin ms aconsejable es Interruptor y medio.3. EQUIPOS DE ALTA TENSINEn este punto se dar a conocer la seleccin y caractersticas de los elementos que hacen parte de la subestacin.3.1 SECCIONADORESPara dimensionar los seccionadores debemos tener en cuenta la tensin mxima del sistema (KV), la frecuencia nominal, tensin de prueba del impulso tipo rayo y, la tensin primaria nominal. La corriente nominal de los seccionadores debe ser como mnimo la de la capacidad de las barras.La capacidad de la barra es igual a la capacidad de los transformadores con una reserva.Se dimensiona para una carga total de 3 x 100 MVA = 300 MVA, lo cual da una corriente de 1.57 KASe seleccionan dos tipos de seccionadores los cuales cumplen con la norma IEC para las tensiones a manejar, estos son:

Seccionadores de apertura central (Hapan Tipo SSBII)

Seccionadores a la salida tipo pantgrafo

A continuacin se presentan un esquema y la hoja caracterstica del seccionador.

Seccionador Tipo Apertura Central

Ficha Tcnica Seccionador Tipo Apertura Central

3.2 INTERRUPTOREstos dispositivos mecnicos de conmutacin, permiten alimentar, conducir, e interrumpir corrientes bajo condiciones anormales de operacin por un tiempo limitado o bajo condiciones normales durante un tiempo ilimitado. Estos interruptores pueden ser empleados para maniobras de lneas areas, transformadores, bancos de reactivos o para permitir la conexin y desconexin de dos barras, as como cuando se desea transmitir potencia de una barra a otra.Los principales puntos a considerar cuando se selecciona un interruptor son: Mxima tensin de operacin en el sitio. Altura de la instalacin sobre el nivel del mar. Mxima corriente de operacin que se presenta en la instalacin. Frecuencia del sistema. Duracin de la corriente de cortocircuito. Ciclo de maniobra. Condiciones particulares de operacin y climticas.

Valores Nominales para Coordinacin de Interruptores Segn IEC 56-2

Para la subestacin seleccionamos un interruptor ABB, Tipo LTB E1, el cual cumple con las caractersticas descritas anteriormente, las caractersticas tcnicas y las dimensiones de este equipo se relacionan en las siguientes tablas.

4. DATOS Y CLCULOS

4.1 SELECCIN DE PARARRAYOSConsideraciones: Sistema slidamente aterrizado. Pararrayos de xido de Zinc (ZnO). Tensin mxima (Um) de 123 kV.La tensin nominal de los pararrayos de ZnO,Ur, se encuentra teniendo en cuenta los siguientes parmetros: Tensin Continua de Operacin (COV):

Sobretensin Temporal (TOV):Como es un sistema NO aterrizado, Ke=1.73

La tensin nominal del pararrayosUr,se elige seleccionando el mayor valor entrey. =donde Ko es el factor de diseo segn el fabricante el cual debe ser especificado por este. Un valor de Ko normalmente encontrado es 0.8.

Donde Kt es la capacidad del pararrayos contra sobretensiones temporales el cual depende del tiempo de duracin de la sobretensin.Kt = 1.15 para 1 segundo.Kt = 1.10 para 10 segundos.Kt = 0.95 para 2 horas.El mayor entrey, espor lo consiguientees igual a:

Pero hay que tomar un Ur normalizado, que en nuestro caso es de 120 KV

4.1.1. NIVEL DE PROTECCIN PARA IMPULSO TIPO ATMOSFRICO (NPR)

El NPR de un pararrayos ZnO es considerado, en trminos generales y para efectos de coordinacin de aislamiento como el mayor entre los siguientes valores: Tensin mxima residual para impulsos escarpados (1/(2-20) m s) de corriente dividido en 1.15. Para efectos prcticos es igual a 1.1*Tensin mxima residual 8/20m s. Tensin mxima residual para impulsos atmosfricos a la corriente nominal de descarga 8/20m s.10 kA (Um 420kV)15 kA (420kV550kV)

4.1.2. NIVEL DE PROTECCIN PARA IMPULSO DE MANIOBRA (NPM)

El NPM para un pararrayos de ZnO se obtiene as:1. Sistema con tensin mxima menor de 145kV, mximo voltaje residual con impulso de corriente de maniobra (30/60m s) de 0.5 kA. Sistema con tensiones entre 145kV y 362kV el impulso de corriente de maniobra debe ser de 1kA. Sistemas con tensiones superiores, el impulso de corriente de maniobra debe ser de 2kA.De acuerdo a la tabla 4, la tensin nominal del pararrayoUr, queda normalizada as:

Tabla 4. Hoja Caracterstica Pararrayo tipo ZnO

Valor Normalizado Ur = 120 kV.NPM = 235 kV.NPR = 276 kV.

Debido a que las caractersticas de altura de la subestacin supera los 1000 m.s.n.m, entonces har correccin por altura al nivel bsico de proteccin para impulso tipo atmosfrico (BIL). De igual manera se consider que el nivel ceraunico no era representativo, por lo cual se decidir que la corriente de choque que soportara los pararrayos ser de 10kA, debido al nivel de tensin a manejar (>30kV).

4.2 CORRIENTES4.2.1 CORRIENTE NOMINAL

La corriente nominal nos fija los esfuerzos trmicos que debe soportar una instalacin elctrica en las condiciones de operacin normal mas desfavorables.

Con base en su valor se determinan la seccin de las barras colectoras y las caractersticas de conduccin de corriente de los equipos (interruptores, seccionadores, transformadores de medida, etc.).Debido a las condiciones de capacidad de las cargas a alimentar, que en nuestra subestacin va a ser de 100 MVA a un nivel de tensin de 110 KV, la corriente nominal de la subestacin es aproximadamente de 909.09 A.

4.2.2 CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO

= 100MVAZ = 10% = 0.1PU = = = 1000MVA = = = 9.09 KA En el primario = = = 29.0 KA En el secundario

Como el diseo de la Subestacin es de configuracin interruptor y medio, esta consta de 2 dimetros, de esta manera la corriente a manejar por los equipos son:

TRANSFORMADOR DE CORRIENTE:

Transformadores de corriente de relacin 500/5 A y de relacin 250/5 A.

SECCIONADORES

Corriente nominal de 0.5 KA. INTERRUPTORES

Corriente nominal de 0.5 KA.

4.3 SOBRETENSIONESLas sobretensiones son voltajes transitorios mayores a los mximos voltajes de operacin del sistema. De acuerdo al tipo de sobretensin estos pueden ser limitados por distintos medios de proteccin. La amplitud de las sobretensiones se puede limitar mediante pararrayos u otros medios de proteccin. Existen tres tipos de sobretensiones: las temporales, las de maniobra y las atmosfricas.Las sobretensiones temporales y las de maniobra son consideradas de origen interno del sistema, como resultado de un fenmeno transitorio, mientras que las atmosfricas se consideran de origen externo.4.3.1. SOBRETENSIONES TEMPORALESSe caracterizan por presentarse a una frecuencia muy cercana a la industrial (o a la misma frecuencia industrial), y por no ser amortiguadas ni suavemente amortiguadas. Se asocian principalmente con prdidas de carga, fallas a tierra y resonancias de diferentes tipos. En un sistema bien diseado, las amplitudes de las sobretensiones temporales no deben exceder de 1.5 p.u. y su duracin debe ser menor de 1 segundo.Para el diseo de la Subestacin, la sobretensin temporal debe ser menor a 165 KV (110 KV*1.5 = 165 KV). Este valor ser menor si los transformadores de tensin del sistema son slidamente aterrizados.

4.3.2. SOBRETENSIN DE MANIOBRALas sobretensiones de maniobra estn asociadas a todas las operaciones de maniobra y fallas en un sistema. Sus altas amplitudes estn generalmente en el rango de 2 a 4 p.u., dependiendo mucho de los valores reales del diseo del sistema y de los medios para limitarlos.Para el nivel de tensin de la Subestacin de 110 KV, se pueden presentar sobretensiones de maniobra entre 220kV y 440kV.4.3.3. SOBRETENSIONES ATMOSFRICASLas sobretensiones atmosfricas de amplitudes grandes pueden entrar a una subestacin como resultado de descargas atmosfricas directas sobre una lnea o como flameos inversos en una torre. La subestacin debe estar protegida contra descargas directas mediante un apantallamiento eficiente.Para tensiones de 110kV su valor esta entre 4 y 6 p.u. es decir, entre 440 KV y 660 KV.De acuerdo con la IEC 60-2, la tensin de prueba normalizada para sobretensiones atmosfricas tienen un tiempo de frente de 1.2ms y un tiempo de cola medio de 50ms.En la Figura, se observa la representacin esquemtica de los diferentes tipos de sobretensiones.

4.4 COORDINACIN DE AISLAMIENTOComprende la seleccin de la soportabilidad o resistencia elctrica de un equipo y su aplicacin en relacin con las tensiones que pueden aparecer en el sistema en el cual el equipo ser utilizado, teniendo en cuenta las caractersticas de los dispositivos de proteccin disponibles, de tal manera que se reduzca a niveles econmicos y operacionalmente aceptables la probabilidad de que los esfuerzos de tensin resultantes impuestos en el equipo causen dao al aislamiento o afecten la continuidad del servicio.Los tres niveles de sobretensin considerados en la coordinacin de aislamiento son: Nivel 1: Tambin llamado nivel alto. Se utiliza en los aislamientos internos, no autorecuperables (sin contacto con el aire), de aparatos como transformadores, cables o interruptores. Nivel 2: Tambin llamado medio o de seguridad. Est constituido por el nivel de aislamiento autorecuperable de las partes vivas de los diferentes equipos, que estn en contacto con el aire. Este nivel se adecua de acuerdo con la altura sobre el nivel del mar de la instalacin y se utiliza en todos los aisladores de aparatos, barrajes y pasamuros de la subestacin que estn en contacto con el aire. Nivel 3: Tambin llamado bajo o de proteccin. Esta constituido por el nivel de operacin de los explosores de los pararrayos de proteccin.4.4.1. TENSIN SOPORTADA AL IMPULSO TIPO ATMOSFRICO (BIL)Es el valor pico de tensin soportada al impulso atmosfrico el cual caracteriza el aislamiento del equipo en lo que se refiere a pruebas. Esta tensin se especifica solamente en seco, ya que la soportabilidad de los equipos a estos impulsos, de manera muy general, se afecta poco por la lluvia.4.4.2. TENSIN SOPORTADA AL IMPULSO TIPO MANIOBRA (BLS)Es el valor pico de tensin soportada al impulso tipo maniobra, el cual caracteriza el aislamiento del equipo en lo que se refiere a pruebas. Esta tensin se debe especificar en seco y/o bajo lluvia, ya que la soportabilidad de los equipos de maniobra tiende a reducir bajo una lluvia de elevada precipitacin. Normalmente la condicin en seco se prueba para impulsos de polaridad positiva y la condicin bajo lluvia para impulsos de polaridad negativa.

4.4.3. FACTOR DE SEGURIDADSon las relaciones entre las tensiones soportadas con impulsos tipo maniobra o atmosfricos y las tensiones mximas encontradas.

4.5 CLCULO DEL NIVEL DE AISLAMIENTO

Hay dos mtodos para el clculo del nivel de aislamiento: Un mtodo convencional que es utilizado para tensiones menores a 300 KV y un mtodo estadstico que es utilizado para tensiones mayores a 300 KV.

Como la subestacin tiene un nivel de tensin de 110 KV, se utilizara el mtodo convencional.

Se aplica un factor de seguridad (KI) para relacionar el NPR y el BIL. Este factor tiene un rango entre 1.2 y 1.4 siendo 1.25 un valor normalmente aplicado. Para niveles de tensin inferiores a 52kV, el valor KIms utilizado es 1.4.

Se aplica un factor de seguridad KMpara relacionar el NPM y el BLS. Donde KM= 1.15.

Existe un factor de seguridad que relaciona el BLS y el BIL y que depende del medio aislante as:

Equipos sumergidos en aceite, K=0.83

Equipos aislados al aire, K=0.6 a 0.75.

A continuacin se escribe el procedimiento general para determinar el BIL de un equipo.

1. Obtener el NPR y el NPM del pararrayos.2. Determinar el KIy el KMdeseados.3. Obtener el nivel mnimo de aislamiento al impulso atmosfrico: BIL= KI*NPR.4. Elegir el valor normalizado por encima del BIL encontrado, obtenindose as el BIL normalizado del equipo en consideracin (BILN).5. Obtener el nivel mnimo de aislamiento al impulso de maniobra: BSL=K*BILN.6. Obtener la relacin entre BSL y NPM: KF=BSL/NPM.7. El valor determinado en el paso anterior debe ser mayor o igual a KM = 1.15 8. Si no se cumple la anterior relacin se debe incrementar el BIL encontrado en el paso 4 en un nivel superior y repetir, con este nuevo valor, los pasos 5 y 6. Este incremento del BIL se debe efectuar de modo iterativo hasta obtener el KF KM.9. Es suficiente con especificar el BIL del equipo ya que el BSL est directamente relacionado.10. Hacer correccin al BIL por altura si la altura es mayor a 1000 m.s.n.m=

Para el diseo de la Subestacin tenemos:1. NPM del pararrayo= 235 kV.2. NPR del pararrayo = 276 kV.3. Factor de Seguridad (KI):1.25Para sistemas mayores a 52kV.4. Factor de Seguridad (KM):1.155. Factor de Seguridad (K):0.656. BIL=KI X NPR =1.25 x 276 KV=345 KV7. Correccin por altura de 3600 m.s.n.m = = = 1.558. BIL (Corregido) = 1.55 x 345 KV = 534.759. BIL Normalizado (BILN ): 550 KV10. BLS= K x BILN= 0.65 x 550 KV= 357.5 KV11. KF= BLS / NPM = 357.5 KV / 235 KV=1.52 > 1.15El BIL seleccionado ser de550 KV

Cuando se expresa ms de un nivel de aislamiento, el nivel ms alto debe seleccionarse para factores de falla a tierra mayores a 1.4Segn la Tabla a continuacin, niveles de aislamiento normalizados por la IEC, se obtendrn los siguientes valores:

1. Voltaje Nominal: 110 KV2. Voltaje Mximo: 123 KV3. Aislamiento pleno al impulso: 550 KV 5. Aislamiento reducido al impulso: 450 KV 6. Aislamiento pleno a baja frecuencia 230 kV 7. Aislamiento reducido a baja frecuencia: 185 KV

4.6 DIMENSIONAMIENTO DE LA SUBESTACIN

El dimensionamiento de una subestacin es una de las actividades principales dentro de la etapa de diseo, puesto que incide prcticamente en todas las dems actividades y por lo tanto afecta el costo global.

Los niveles de tensin determinan las necesidades de aislamiento que garantizan la operacin confiable y segura para el personal y el equipo instalado en una subestacin. Dicho aislamiento impone la especificacin de materiales aislantes y de distancias entre los diferentes elementos de patio, de tal forma que los gradientes de tensin a los cuales estn sometidos no rompan la rigidez dielctrica del material aislante. Dicho de otro modo, los niveles de tensin y el material aislante determinan las distancias entre los diferentes elementos de patio de una subestacin. A su vez, dichas distancias en conjunto con la potencia de trabajo determinan el tamao de los equipos a utilizar.

En tal sentido, los principales factores a considerar en el dimensionamiento de una subestacin son las distancias criticas fase - fase y fase - tierra que deben existir en la subestacin para garantizar un nivel de aislamiento adecuado y las distancias de seguridad requeridas para las labores de revisin y mantenimiento sin peligro alguno para el personal.

4.6.1. DETERMINACIN DE DISTANCIAS DIELCTRICAS EN SUBESTACIONES

Para obtener la adecuada coordinacin de aislamiento en una subestacin es necesario fijar las distancias a travs del aire entre partes vivas de fases diferentes y entre partes vivas de fase y tierra. Para ello vamos a definir ciertos conceptos que se utilizan para comprender el problema.

Tensin critica de flameo (TCF) :Es la tensin obtenida en forma experimental que presenta una probabilidad de flameo del 50%.En las normas se calcula el valor de TCF a partir del nivel bsico de impulso, BIL, a nivel:

4.6.2 DISTANCIAS MNIMAS EN EL AIRE

Se deben mantener en subestaciones convencionales para garantizar el adecuado nivel de aislamiento, teniendo en cuenta las condiciones atmosfricas prevalecientes en el sitio.

Se establecen de acuerdo con la norma IEC 60071-2

Distancias mnimas en el aire para tensin asignada menor de 300 Kv

Son determinadas por las sobretensiones debidas a impulsos tipo rayo

Las distancias en el aire fase - fase y fase-tierra se determinan de acuerdo con la tabla A1PUNTA - ESTRUCTURA( mm)CONDUCTOR - ESTRUCTURA ( mm)

BIL550KV11001100

4.6.3 DISTANCIAS DE SEGURIDADSe entiende como distancia mnima de seguridad aquellos espacios que se deben conservar en las subestaciones para que el personal pueda circular y efectuar maniobras sin que exista riesgo para sus vidas. Las distancias de seguridad a travs de aire estn compuestas por dos trminos: el primero es la distancia mnima de fase a tierra, correspondiente al nivel de aislamiento al impulso de la zona. El segundo trmino se suma al anterior y dependen de la talla media de los operadores.Las distancias mnimas de seguridad se pueden expresar con las siguientes relaciones:

D = d + 0.9H = d + 2.25D: es la distancia horizontal en metros que se debe respetar en todas las zonas de circulacin.H: es la distancia vertical en metros que debe respetarse en todas las zonas de circulacin. Nunca debe ser menor de 3 metros.D: es la distancia mnima de fase a tierra correspondiente al BIL de la zona.Para nuestro diseo:D =1.1 m + 0.9 = 2.0 mH =1.1 m + 2.25 = 3.35m

La distancia mnima para vehculos ser:D = (d+0.7) + 0.9 = (1.1+0.7) + 0.9 = 2.7 mH = (d+0.7) + 2.25 = (1.1+0.7) + 2.25 = 4.05 mLa distancia mnima para reas de trabajo ser:D = (d+1.75) + 0.9 = (1.1+1.75) + 0.9 = 3.75 mH = (d+1.25) + 2.25 = (1.1 + 1.25) + 2.25 = 4.6 m

Calculo del primer nivel de altura = Dseguridad x Valor bsico x 1.1= 4720mm

4.6.3 ANCHO DEL CAMPOEl ancho de campo de una subestacin es la distancia entre los ejes de las columnas que forman el prtico de entrada de lnea y est determinado por la configuracin, las dimensiones de los equipos y los tipos de barraje utilizados.DC = 2(f+g+h+i)F= la distancia fase-fase = 1100mmG= longitud del brazo del seccionador = 1200mmH = distancia minina fase-tierra = 1100mmI = del ancho de la estructura = 3000mmComo son tres mdulos la formula queda:DC = 3[2(f+g+h)] +2iDC = 3[2(110mm+1200mm+1100mm)]+2(3000) =26400mm=0.03xDC = 0.03(26400mm)= 792mmCalculo del Segundo nivel de altura: + Dmto + valor bsico + 4720mm+1250mm+1100mm+792mm = 7862mmCalculo del tercer nivel de altura +Dmto + valoe bsico + 7863mm + 1250mm + 1100mm + 792mm =11004 mm

4.6.4 ANCHO DE LA BARRA

Ancho de la barra = 6x + 2(a+b)a.= de 1.05 a 1.10 la distancia mnima fase-faseb.= valor bsico. 0.7713Ancho de la barra =6[0.7713x792] + 2(1.10x1100 + 1100)= 8285 mm

4.7 DISTANCIAS DE DISEOEste punto se refiere al dimensionamiento de las distancias entre partes vivas que se requieren en instalaciones convencionales (ya sea interiores e intemperie). No se tiene en cuenta las instalaciones encapsuladas o aisladas en gas. La determinacin de estas dimensiones se efecta mediante el clculo de las distancias dielctricas entre las partes vivas del equipo y entre estas y las estructuras, muros, rejas y el suelo, de acuerdo con el siguiente orden.1. Distancia entre fases.2. Distancia entre fase y tierra.3. Distancia de seguridad.4. Altura de los equipos sobre el nivel del suelo.5. Altura de las barras colectoras sobre el suelo.6. Altura de remate de las lneas de transmisin que llegan a la subestacin.Los tres primeros numerales ya los hemos clculado4.7.1. ALTURA DE LOS EQUIPOS SOBRE EL NIVEL DEL SUELOEsta altura se considera tambin como el primer nivel de barras (hs).La altura mnima hs, de las partes vivas sobre el nivel del suelo en ningn caso debe ser inferior a 3 metros, si no se encuentran aisladas por barreras de proteccin. La altura mnima de la base de los aisladores que soportan partes vivas no debe ser menor de 2.25 metros.Prescindiendo de las tablas, la altura mnima de las partes vivas de cualquier equipo se calcula de acuerdo con la siguiente expresin:hs= 2.30 + 0.0105*UmDonde Umes la mxima tensin de diseo del equipo en cuestin.hs= 2.30 m + 0.0105 x 123 KV = 3.59 m4.7.2. ALTURA DE LAS BARRAS COLECTORAS SOBRE EL NIVEL DEL SUELOLa altura de las barras sobre el nivel del suelo debe considerar la posibilidad de que al pasar una persona por debajo de las barras, esta reciba la sensacin del campo elctrico. La expresin que proporciona la altura de las barras colectoras (he), considerando la sensacin de campo elctrico es la siguiente:he= 5.0 + 0.0125*Umhe= 5.0 + 0.0125 x 123 KV = 6.54m

4.7.3. ALTURA DE REMATE DE LAS LNEAS DE TRANSMISINLos conductores de las lneas de transmisin que llegan o salen de una subestacin no deben rematar a una altura hIinferior a 6m. Dicha altura se puede obtener de la relacin:hI= 5.0 + 0.006*UmhI= 5.0 + 0.006 x 123 KV = 5.738m = 6.0 m

4.8 DISTANCIAS CRITICAS CONSIDERANDO EL BALANCEO DE LAS CADENA DE AISLADORES Debido a que la cadena de aisladores suspendidos verticalmente son susceptibles de movimiento, se debe considerar una separacin adicional en las distancias crticas elctricas de tal forma que se tenga en cuenta el acercamiento producido por este efecto. El clculo de esta separacin se hace de acuerdo a la siguiente expresin:S = Lk* senqDnde:S, es la separacin producida por el balanceo de la cadena de aisladores, expresada en metros.Lk, es igual a la longitud de la cadena de aisladores, expresada en metros.q, es el ngulo de balanceo mximo que puede llegar a ser de 10Lk= 14.6 (N-1) + KfDnde:N = 1.15 (Df/df)Df= Kf(Um*Kd)Df= 20mm/kV*(123kV*1.0) = 2460mm =2.460mN = 1.15*(2460mm/292mm) = 9.67Lk= 14.6 (9.67-1) + 20 =146.6mm = 0.1466mS = Lk* senq= 0.1466 * sen 10 =0.025m.

4.9 DETERMINACIN DE LA LONGITUD DEL CAMPOLa longitud de campo est determinada por la configuracin de la subestacin y por las distancias entre los diferentes equipos. Dicha longitud no se determina por las distancias mnimas o de seguridad, sino ms bien por razones de mantenimiento, montaje y esttica. Para el montaje y mantenimiento se recomienda que los terminales de los equipos sean accesibles por el personal desde cualquier punto. Se considera como una distancia aceptable entre los terminales de equipo 1.5m. Partiendo de esta base y considerando las dimensiones de los diferentes equipos, se puede determinar la distancia entre equipos de un mismo campo. Cuando se tienen equipos de aspecto exterior similar, por ejemplo transformadores de instrumentacin y pararrayos, pero de dimensiones ligeramente distintas, es posible por razones estticas adoptar distancias iguales entre estos equipos.

L= pararrayos y tp + transformadores de instrumento+ 2 i + ancho de barra +Lsc2 + interruptor via de circulacin + interruptor y seccionador pantografo + ancho barra+ 2i + distancia al cerco

L= 2 m + 2m + 2(3 m) +8.3 m + 3 m + 7m + 3m + 8.3 m + 2(3m) + 5 m = 50.6 m

L= 50.9 m

4.10 DIMENSIONAMIENTO DEL LOTE La disponibilidad de un sitio puede ser el aspecto ms importante en el planeamiento de una nueva subestacin. Cuando el espacio es limitado es necesario imponer restricciones en el diseo, lo cual puede dar como resultado una subestacin con caractersticas inferiores requeridas por el sistema. Usualmente aquellas subestaciones que son simples en un diagrama y utilizan menor cantidad de interruptores ocupan la menor rea. Cuando las restricciones del rea son grandes, por ejemplo en zonas urbanas o en terrenos montaosos, o su costo de adecuacin es excesivo, se deber seguir un diseo de tipo encapsulado en SF6 (hexafloruro de azufre).Es difcil efectuar una comparacin general del espacio requerido, para las diferentes configuraciones ya que para cada una de ellas se presentan diversas situaciones. Se pueden comparar, en primer lugar, los espacios requeridos por los diferentes arreglos fsicos de una misma configuracin y, en segundo lugar, las reas necesarias para las diferentes configuraciones utilizando determinada disposicin fsica.Para determinar el espacio requerido para la implementacin de la subestacin con la configuracin seleccionada (interruptor y medio), se tendr en cuenta bsicamente el nmero de campos que presenta la configuracin. La disposicin fsica de dos filas de interruptores y una salida por campo y la disposicin fsica de una fila de interruptor y una salida por campo, son iguales para la configuracin dada, es decir, que la subestacin ocupara el mismo espacio sin importar cul sea la disposicin fsica contemplada.Por otra parte, se deben tener en cuenta el rea que ocuparan los transformadores de potencia, la sala de control, vas de acceso, etc.

A = Es igual a la longitud del campo x (el ancho de campo por 5 + rea de la sala de control) A = L1 X L2L2 = DC*5 + rea de la sala de controlA = 50.9 (26.4)(5) + 40

A = 6758.8 m2

CONCLUSIONES

El alto costo de una subestacin de alta tensin es un inconveniente para su construccin, pero son de gran importancia debido a que su mayor potencia permite transportar energa a mayores distancias.

Los componentes que conforman una subestacin debe ser conocidos para poder llevar a cabo un ptimo diseo.

El aislamiento es una de las partes de mayor importancia en el diseo de una subestacin elctrica.

BIBLIOGRAFA

1. Notas de Clase de Subestaciones Elctricas

2. Libro Extra Alta Tensin

3. Harper Enriquez, Gilberto. Elementos de diseo de subestacin elctricas

4. http://www.abb.com.co/

5. http://www.energy.siemens.com/entry/energy/hq/en/

6. http://www.unioviedo.es/pcasielles/uploads/cat%C3%A1logos/Interruptores_alta_tensi%C3%B3n/ABB_HPL-LTB.pdf

7. http://www.multinacionaltrade.com/es/pdf/SSBII_Especificaciones.pdf