54642118 50601771 Trabajo de Protecciones Entrega Final

TRABAJO FINAL DE PROTECCIONES

PRESENTADO POR:

JOHN NICOLAS CASTIBLANCOCOD: 42002033

CRISTIAN BENAVIDESCOD: 42002029

PRESENTADO A:

ING. JOSE CARLOS ROMERO

UNIVERSIDAD DE LA SALLEFACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICAAREA DE PROTECCIONES ELECTRICAS

BOGOT2005

INTRODUCCION

Un sistema elctrico consiste en una serie de elementos de seales elctricas interconectados, configurados de tal manera que al funcionar correctamente se obtendr calidad de servicio llegando a cada uno de los usuarios.

Como un sistema elctrico no puede manejarse solo, debe tener la intervencin de ingenieros estudiados y catalogados para poder maniobrar en este tipo de sistemas. Un Ingeniero en sistema de potencia debe estar interesado en las condiciones normales y anormales del sistema elctrico. Esto requiere que este familiarizado con los circuitos de corriente alterna en estado estable y en particular con los circuitos trifsicos.

El diseo de plantas generadoras de energa elctrica, subestaciones transformadoras, diseo de seleccin para lneas de transmisin y distribucin y cada uno de los elementos que estn asociados con esto, comienza con un boceto de lo que se quiere instalar de acuerdo al cliente o a las necesidades. Estos proyectos terminan cuando cada uno de los componentes que lo conforman se ha calculado, especificado y colocado en las memorias de clculo correspondientes con sus diagramas.

Debido a esto, un tema muy complejo e importante para este sistema de potencia son las protecciones elctricas, que me aseguran flexibilidad, confiabilidad y disponibilidad a mi sistema. As que estas protecciones deben ser calculadas y escogidas de acuerdo a la experiencia y al criterio de ingeniera de lo que se necesita proteger, sin sobredimensionar mis equipos ya que esto interviene en perdidas econmicas muy grandes.

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Analizar el comportamiento de un sistema de potencia dado, teniendo en cuenta las condiciones normales y de falla para el generador, transformadores, lneas de transmisin y distribucin valorando las protecciones elctricas para cada uno de ellos.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Analizar e identificar cada una de las protecciones en los equipos del sistema de potencia para un funcionamiento optimo

Definir y seleccionar las protecciones para el generador, transformadores, lneas, barajes y motores

Realizar un anlisis del flujo de carga y el estudio de corto circuito.

Reconocer la importancia que tienen cada una de los reles los elementos que se van a proteger en un sistema de potencia dado

1. MARCO TERICO

RELES

El rele es un conmutador elctrico especializado que permite controlar un dispositivo de gran potencia mediante un dispositivo de potencia mucho menor. Un rel est formado por un electroimn y unos contactos conmutadores mecnicos que son impulsados por el electroimn. ste requiere una corriente de slo unos cientos de miliamperios generada por una tensin de slo unos voltios, mientras que los contactos pueden estar sometidos a una tensin de cientos de voltios y soportar el paso de decenas de amperios. Por tanto, el conmutador permite que una corriente y tensin pequeas controlen una corriente y tensin mayores.

DESCARGADORES DE SOBRETENSIN

Antes de hablar de los descargadores en si es necesario conocer para que fueran creados y hacia que tipo de fallas estn dirigidas.

En la operacin de un sistema de potencia pueden presentarse elevaciones de tensin por encima del valor mximo de servicio, estos aumentos se denominan sobre tensiones.

K = Us * (3)1/2 / UmK = Factor de sobretensin

US = Sobretensin fase-tierra

Um = Tensin mxima de operacin.

El aislamiento de los aparatos queda sometido a los esfuerzos producidos por la tensin de operacin en las condiciones normales y espordicamente a las sobretensiones. El material expuesto debe estar en condiciones de resistir cuales quiera de esas solicitaciones en el transcurso de su vida til, sin que su aislamiento sufra debilitamiento, deterioro o dao.

Cuanto mayor es la sobretensin que puede aparecer en cualquier punto, deber ser mas elevado el aislamiento de la instalacin, a su vez un aumento en el nivel del aislamiento representara mayores costos. Por este motivo es fundamental limitar estas sobretensiones y coordinar el nivel de aislamiento.

SOBRETENSIONES EXTERNAS

Las descargas atmosfricas que pueden afectar las S/E son las producidas por rayos que caen directamente sobre la instalacin, o las que inciden sobre las lneas de transmisin a distancias cercanas a la S/E. La incidencia de rayos sobre la propia subestacin es relativamente rara debido a la reducida superficie ocupada por la instalacin; sobre las lneas, las descargas de rayos son mas frecuentes.

La descarga del rayo sobre la lnea de transmisin origina ondas mviles de impulso de frente escarpado que se propagan a lo largo de los conductores y penetran en las instalaciones originando elevaciones bruscas en el nivel de tensin en los transformadores y el resto de equipos; pudiendo producir descargas disruptivas y/o arcos entre el conductor y tierra o deterioros entre espiras de transformadores, adems de los daos en los aislamientos.

La descarga del rayo sobre la lnea de transmisin origina ondas mviles de tensin y corriente que se desplazan hacia ambos extremos de la lnea con una velocidad que depende de las caractersticas de inductancia y capacitancia.

Proteccin contra sobretensiones de origen atmosfrico.

Para determinar la proteccin mas adecuada es necesario tener un conocimiento de la severidad y la frecuencia de los rayos, adems de la informacin acerca del nivel ceranico ( # de das al ao que se escuchan tormentas).

Descargas directas.

Para proteger la subestacin se utilizan cables de guarda de la misma seleccin que los utilizados en la propia lnea de transmisin cuando el nivel ceranico es alto, o en su defecto cuando el nivel es bajo se utilizan las bayonetas. Los cables de guarda en las subestaciones deben instalarse a una altura adecuada para proteger eficazmente los conductores y equipos.

Un sistema usado con cierta frecuencia para la determinacin de la altura mnima del cable de guarda es mtodo de langrehr que supone que cuando el rayo va hacia tierra y se encuentra a una altura igual al doble del cable de guarda, la descarga se efectuara sobre este o el suelo por ser los puntos mas cercanos al suelo.

SOBRETENSIONES INTERNAS

Algunas de estas sobretensiones se caracterizan por ser auto sostenidas y de larga duracin, en tanto que otras desaparecen ms o menos rpidamente despus de la operacin de los interruptores.

Sobretensiones dinmicas.

En las redes muy enmalladas o con lneas de transmisin relativamente cortas, la mxima sobretensin se produce generalmente por la aparicin de una falla fase-tierra, mientras en sistemas de potencia con lneas de transmisin muy largas las

sobretensiones mas elevadas se deben a desconexin de la carga en el extremo receptor.

Sobretensiones por fallas fase-tierra.

Los valores de las sobretensiones bajo condiciones de falla, dependen de las constantes del circuito en el punto del defecto y se determinan mediante componentes simtricas.

Sobretensiones por desconexin de Carga.

Las sobretensiones debidas a perdida brusca de la carga en sistemas en altas y muy altas tensiones causa un apreciable aumento de la tensin debido al efecto ferranti de la lnea, la mxima sobretensin se produce desde luego en el extremo de la lnea. Debido a la brusca supresin de la carga aumenta la velocidad de los generadores y por consiguiente la frecuencia del sistema y as mismo el aumento de tensin.

Sobretensiones por maniobras.

Estas sobretensiones son de gran inters para establecer el nivel de aislamiento de las lneas largas en altas y muy altas tensiones. Se presentan tensiones transitorias cuando s producen cambios internos debido a la apertura o cierre de interruptores en los siguientes casos:

Energizacin de una lnea en vaco. Reconexin de alta velocidad de una lnea Desconexin de una lnea en vaco. Desconexin de transformadores de potencia y reactancia.

Las sobretensiones mas elevadas son las causadas por el cierre de interruptores y el caso mas desfavorable ocurre con la reconexin trifsica de una lnea, que no ha podido disipar totalmente su propia energa.

DESCARGADORES DE SOBRETENSION

La proteccin mas completa y segura para limitar las sobretensiones a valores peligrosos se obtiene con los descargadores de sobretensin.

Los DST son de uso universal y se emplean especialmente en los siguientes casos:

En subestaciones donde los explosores o cuernos de arco entran con demasiada frecuencia.

Para la proteccin de transformadores de potencia y bobina de inductancia, especialmente cuado tienen un aislamiento reducido.

Para la proteccin del neutro de los transformadores de potencia, cuando operan con el punto neutro aislado y los arrollamientos tienen aislamiento gradual.

En instalaciones en extra altas tensiones para reducir el nivel de aislamiento de los interruptores.

Campo de aplicacin y principio de funcionamiento:

Se emplean para la proteccin de la aislamiento de transformadores, capacitares, y otros aparatos de MT, frente a sobretensiones (externas) de origen atmosfrico e internas (de maniobra), que podran afectarlos irreversiblemente, para lo cual debern instalarse lo ms cerca posible del dispositivo a proteger. La funcin del descargador es derivar a tierra las tensiones que alcancen un nivel peligroso para la aislamiento del equipamiento protegido. Por otro lado no deben operar cuando las sobretensiones no son peligrosas.

En condiciones normales, cuando est aplicada entre sus bornes la tensin fase - tierra, adoptan un alto valor de resistencia interna, que da lugar a una circulacin de corriente de unos pocos mA. En ocasin de una sobretensin como las mencionadas anteriormente, su caracterstica no lineal hace que su resistencia descienda a valores muy bajos, limitando el valor de la sobretensin a un valor conocido como tensin residual.

APARATOS DE MANIOBRA

En la red elctrica es necesario ejecutar maniobras, variar su configuracin, su topologa. Ciertas maniobras son necesarias para simplemente conectar cargas, se debe establecer corriente en condiciones que se presumen normales, pero a veces la maniobra origina una falla.

El aparato sometido a estos requerimientos debe ser capaz de soportar la condicin previa a la maniobra, asegurar la aislamiento de la carga, luego establecer la corriente normal o cuando la falla existe, la corriente de falla.

Si ocurre falla algn aparato deber encargarse de la interrupcin, ser adecuado para ello, soportando los fenmenos que suceden inmediatamente.

Segn sea la red se presentarn distintas condiciones que podemos analizar en detalle, pero la corriente que debe establecerse e interrumpirse puede adems tener distintas caractersticas, capacitiva, inductiva, tener distintos valores, incluir una componente continua, armnicas, etc.

INTERRUPCION

Es la capacidad de interrumpir corrientes de cualquier tipo y valor hasta las corrientes de cortocircuito mximas, y por cierto establecer estas corrientes.

Lgicamente la duracin de los contactos, del medio aislante, de las cmaras que contienen los fenmenos que se producen limitan la cantidad de maniobras que pueden hacerse en distintas condiciones, sin mantenimiento (se produce desgaste de los contactos, de las cmaras, del medio de interrupcin).

Cada tipo de interrupcin presenta caractersticas que pueden ser distintas, y que adems dependen del principio de funcionamiento del interruptor.

Los aparatos que no pueden llegar a interrumpir cortocircuitos no son interruptores, se los llama interruptores de maniobra, y cuando cumplen ciertas condiciones (de aislamiento) seccionadores bajo carga

Si comparamos las caractersticas de aislamiento que fijan las normas para interruptores y seccionadores, notaremos diferencias en la aislamiento entre contactos abiertos, en alta tensin en particular el interruptor siempre se encuentra asociado a seccionadores por lo que la funcin de seguridad de la aislamiento se ha asignado a estos ltimos.

Los interruptores tienen dos posiciones estables en las que pueden encontrarse, abiertos, o cerrados, y tienen una duracin mecnica en cuanto a maniobras que pueden hacer, esta duracin en comparacin con otros aparatos parece limitada. .

Interruptor es un aparato mecnico de conexin, que tiene dos posiciones de reposo, capaz de establecer, soportar, e interrumpir corrientes en condiciones normales de circuito, as como en condiciones predeterminadas establecer, soportar por un lapso definido, e interrumpir corrientes en condiciones anormales especificadas de circuito tales como las de cortocircuito.

EL ARCO ELECTRICO

Los arcos estables han sido estudiados desde largo tiempo, mientras que los arcos en corriente alterna, con variaciones de la posicin de los electrodos (los contactos que se separan) son mucho mas difciles de estudiar, en rigor los interruptores que utilizan estos principios se ensayan en condiciones prximas a las reales y establecidas por normas.

Si el arco en su evolucin se convierte en un arco de elevada resistencia al final se tratara de interrumpir una corriente resistiva (corriente y tensin en fase), si en cambio es de baja resistencia (ver lamina) la interrupcin ser particularmente sensible a las condiciones de corriente y tensin que se presentan en la proximidad del cero de corriente (corriente y tensin desfasadas, hay tensin con corriente nula).

Analicemos el fenmeno en dicho instante, supongamos que intentamos interrumpir una corriente resistiva, en el momento en que la corriente se anula tambin la tensin entre contactos es nula, a partir de ese instante crecer en el tiempo en igual forma que la tensin de la fuente.

Pensemos ahora en la interrupcin de una corriente inductiva, en el momento en que la corriente pasa por cero observemos la tensin en los contactos, un instante antes era nula, si la interrupcin tiene xito, un instante despus la tensin tendr un elevado valor, que corresponde a la que impone la fuente...

Hemos despreciado en nuestros razonamientos las capacitancias parsitas que hay entre los contactos del interruptor, en rigor la tensin pasara de cero al valor final, a travs de un transitorio con importantes sobretensiones del orden de 2 veces.

Hemos analizado una corriente de cortocircuito en bornes del interruptor y su interrupcin, y hemos observado la tensin entre los contactos.

Si el cortocircuito se establece en lnea, (a alguna distancia del interruptor) la interrupcin presenta dos tensiones de distintas caractersticas, del lado fuente la tensin variara en forma parecida a la indicada, partiendo del valor correspondiente a la cada de tensin en lnea, mientras del lado lnea se presentara un fenmeno de onda viajera, que causa en el borne del interruptor una onda diente de sierra.

La tensin entre bornes crece con gran velocidad, y para que la interrupcin tenga xito, la distancia entre contactos debe soportar estas condiciones, impuestas por la lnea, circuito de parmetros distribuidos.

Un efecto parecido puede presentarse cuando se interrumpe un cortocircuito secundario de un transformador, desde el interruptor el transformador es visto como una capacitanca con una inductancia en paralelo, esta es una simplificacin demasiado drstica, pero el fenmeno observado es con oscilaciones del lado del transformador, y una tensin del lado de alimentacin con oscilaciones parecidas (aunque menores) que para el cortocircuito franco.

La interrupcin de la corriente de un reactor derivacin, o un cortocircuito con reactor serie tambin son anlogas.

Totalmente distintas son las condiciones cuando se interrumpe una corriente capacitiva, banco de capacitores, cables en vaco, lneas areas en vaco.

En este caso al pasar la corriente por cero, se interrumpe, de un lado queda el capacitor cargado, del otro la fuente la tensin sigue variando con la frecuencia de la red.

PRINCIPIOS CONSTRUCTIVOS DE LOS EQUIPOS DE MANIOBRA

El ingenio humano ha dado pruebas significativas en la historia de los interruptores, las soluciones fueron sucedindose con rapidez unas a otras, las nuevas soluciones presentaban nuevos problemas, y la tcnica exiga soluciones completas y generales.

Las tcnicas de interrupcin comenzaron utilizando el aire natural, e inmediatamente buscaron otros fluidos, aceite, agua, aire comprimido, SF6, las formas y el tamao de los aparatos fue cambiando, llegndose finalmente a soluciones compactas actuales.

En media tensin las tcnicas actualmente difundidas son el vaco, el gas SF6 en versiones autosoplante, de arco rotativo, todava en aplicaciones especiales se utiliza el aire comprimido, y el aire a de ionizacin magntica.

Los interruptores en pequeo volumen de aceite, fueron los mas difundidos en el pasado, y todava sern utilizados por muchos aos, aunque ya casi no se fabrican.

En media tensin se utilizan interruptores de limitado poder de interrupcin (llamados seccionadores bajo carga o interruptores de maniobra, incapaces de interrumpir el cortocircuito), la buena tcnica solo ha dejado subsistir los autoneumticos en aire y en ambiente cerrado de SF6.

En alta tensin la tcnica avanzo en direccin de soluciones modulares de cmaras en serie, el pequeo volumen de aceite, el aire comprimido, el SF6 tipo autosoplante, fueron las soluciones que mas xito tuvieron, y la decadencia de cada solucin tcnica apareci al alcanzar sus limites naturales de aplicacin.

En el futuro puede preverse la utilizacin del vaco, multicmara.

En todos los casos el interruptor en su concepcin actual debe tener un comando que mecnicamente debe ser optimo, las buenas cualidades elctricas de la cmara de interrupcin deben estar acompaadas por sobresalientes caractersticas mecnicas, despus de haber quedado cerrado mucho tiempo se exige siempre una buena actuacin, rpida, oportuna... todava hoy este proyecto presenta importantes desafos.

El vaco es un mtodo de interrupcin que en algunas aplicaciones trae aparejadas sobretensiones que se propagan en los circuitos solicitando en modo inconveniente algunos componentes, por lo que debe estudiarse atentamente su aplicacin. Quizs esto sea consecuencia de ser el mtodo de interrupcin mas joven.

La tensin en los interruptores multicmara debe repartirse con oportunos capacitores que regulan la solicitacin en cada una, tambin influyen controlando la tensin de retorno que se presenta.

CARACTERISTICAS FUNCIONALES DE INTERRUPTORES

Las caractersticas funcionales, sirven para especificar los aparatos, definindolos.

La especificacin de un dispositivo se hace con el objetivo de obtenerlo en el mercado, o construirlo especialmente.

Cuando el objetivo de la especificacin es la construccin de un equipo especial, el nico limite a lo que se especifica esta dado por la posibilidad constructiva, y los riesgos de que la construccin no tenga xito.

Generalmente es preferible comprar dispositivos normales, existentes, por lo que la especificacin debe identificar suficientemente bien las caractersticas de inters, definiendo adecuadamente el objeto de compra.

Frecuentemente el proyectista de instalaciones debe hacer esfuerzo en lograr una instalacin donde puedan utilizarse los dispositivos mas abundantes del mercado, y para esto quizs haya que esforzarse en replantear el proyecto ms veces.

La primera caracterstica del interruptor es su tensin nominal:

baja tensin media tensin alta tensin altsima tensin

Un mismo interruptor de baja tensin puede ser aplicado en instalaciones de distintas tensiones nominales, por ejemplo 230 V, 400, 500, 660, 750, 1000 V (a veces no todos los valores, sino solo algunos), es as que frente a una especificacin se pueden obtener soluciones muy distintas.

En media tensin en cambio los aparatos pueden utilizarse en unas pocas tensiones nominales, las medias tensiones utilizadas en nuestro pas 2.3 kV, 3.6, 5, 7.2, 11, 13.2, 13.8, 36 kV utilizan aparatos de tensiones nominales que dependen del pas de origen del aparato (o de su licencia de fabricacin) por ejemplo aparatos de origen europeo de tensin nominal 17.5 kV se utilizan para las tensiones nominales de 7.2 hasta 13.8 kV, lamentablemente entonces no se pueden aprovechar al mximo...

En alta tensin los fabricantes plantean soluciones para su mercado de mas importancia, y esa adopcin la ofrecen a los otros mercados, por ejemplo una solucin para 145 kV se ofrece para redes de 123 kV, una solucin para 170 kV se lo ofrece para 145 kV.

A medida que la tensin crece aparecen soluciones modulares, cmaras mltiples en serie, es as que deben observarse soluciones de 245 kV, 362 (altsima tensin), 420, 550, 765 - 800 kV que cada fabricante ha desarrollado, notndose que cada fabricante ha tratado de minimizar la cantidad de cmaras en serie, para reducir el costo, en el transcurso de los aos a medida que una solucin se sustituyo por otra la tensin nominal de la cmara modular fue creciendo as en los aos 70 un interruptor de hexafluoruro de 362 kV tenia tres cmaras, hoy (en el 2000) se ofrece con dos, solucin que tambin alcanza para algn fabricante para 550 kV, es decir que la cmara es de tensin nominal 245 kV.

Asociada a la tensin nominal, se presentan las caractersticas de aislamiento, tensin de ensayo a frecuencia industrial, tensin de ensayo a impulso.

La otra caracterstica es la corriente nominal, en baja tensin los valores que se presentan estn asociados a los rels de proteccin integrados al interruptor, cada tipo de interruptor cubre hasta cierta corriente nominal mxima, 63 A, 100, 1250, 2500, 4000, 6300 A.

En media tensin los fabricantes han reducido las opciones que ofrecen, 800 A, 1250, 1600, 2500, en general solo 2 de estos valores, y es difcil encontrar aparatos de corriente nominal elevada.

Los interruptores para generadores cubren necesidades por arriba de los 10000 A.

En alta tensin las soluciones se orientaron a corrientes nominales 2000 o 3000 A, buscando en las soluciones de los aos 70 observamos soluciones de 1250 A, y menos.

El otro tema es la corriente de interrupcin, en baja tensin 1 kA, 10 hasta 100 (los interruptores limitadores).

En media y alta tensin esta caracterstica es 20 kA, 40, 63. En altsima tensin las soluciones de menores corrientes (para una misma tensin) son en general con menor cantidad de cmaras.

Exigencias que se presentan al interruptor

Un folleto de 1970 propona que un interruptor no puede ser juzgado solo en base al poder de interrupcin normal de cortocircuito, y explicaba que pocas veces, quizs nunca en su vida, el interruptor deba interrumpir dicha corriente.

Pero todos los das, para un servicio seguro y tranquilo, que no incremente el precio de adquisicin (inicial), por la continuidad y calidad de servicio, para la proteccin de los aparatos, las maquinas, las lneas, los cables, y para la seguridad de las personas, un verdadero interruptor, cualquiera sea su poder de interrupcin, aun si muy superior al que corresponde al punto donde fue instalado, debe:

ser mecnicamente simple y de seguro funcionamiento en el tiempo. Realizar en cualquier condicin de servicio ciclos de recierre rpido Interrumpir pequeas corrientes inductivas, con sobretensiones limitadas

(menores de 2.5 - 2), por ejemplo fallas en el secundario de transformadores. Interrumpir pequeas corrientes magnetizantes de transformadores en vaco, con

sobretensiones limitadas. Interrumpir lneas y cables en vaco sin reencendidos. Interrumpir con seguridad fallas en lnea (kilomtricas). Interrumpir fallas consecutivas Interrumpir en oposicin de fase Interrumpir cortocircuitos repetidos sin requerir mantenimiento.

Descripcin de distintos tipos de interruptores

El interruptor es un aparato esencialmente formado por contactos que se separan con importante velocidad para pasar rpidamente de condiciones de conduccin a aislamiento, y un mecanismo de comando con energa acumulada para lograr satisfacer las condiciones de movimiento.

El ambiente en el que se separan los contactos permite una clasificacin y define una cantidad de tipos de interruptores

aire natural aire con camadas de ion aire a deionizacion magntica (cmaras cermicas, o metlicas - cada catdica) arco rotativo aceite, gran volumen interrupciones mltiples (en serie) aire comprimido, soplado longitudinal, transversal con resistor de apertura aceite, pequeo volumen (cmaras mltiples) hexafluoruro de dos presiones (neumtico) hexafluoruro de simple presin, autosoplante hexafluoruro de arco rotativo vaco, con distintos materiales en los contactos, cmaras mltiples, resistores de

maniobra hexafluoruro con aprovechamiento de la energa de arco seguramente en un futuro prximo, cmara de interrupcin de estado slido

Los comandos son de distintos tipos, pero todos se caracterizan por disponer de energa acumulada, y deben ser adecuados al tipo de interruptor, ya que entre comando y cmaras de interrupcin se debe lograr la solucin optima:

comando a solenoide (combinado con resortes) comando a resortes (helicoidales, y espirales, cargados con motor elctrico, o a

mano) comando de aire comprimido, de un efecto (combinado con resortes) o de doble

efecto comando de aceite a presin, fluodinmico comando de gas (hexafluoruro) a presin, y resortes.

Intentar explicar el desarrollo de estas distintas tcnicas y sus variantes, y como se encadenaron y evolucionaron es dificultoso y complicado, en forma arbitraria se han seleccionado una serie de figuras encontradas en revistas que muestran caractersticas de distintos tipos de aparatos, y que cubren casi 100 aos de desarrollo tecnolgico alrededor de estos temas.

2. DIAGRAMA UNIFILAR DEL SISTEMA

3. DATOS DE CADA UNO DE LOS ELEMENTOS DEL SISTEMA

Tension

(Kv)Potencia Q

(MVA)Potencia P

(kVA) ConexionTension en Primario

(Kv)Tension en Secundario

(Kv) Clase HPGenerador 13,8 150

Transformador 1 168 13,8 230 OA/FA/FA

Transformador 2 56 230 115 OA/FA/FOA

Transformador 3 40 115 34,5 OA/FA

Transformador 4 20 34,5 13,2 OA/FA

Transformador 5 112,5 0,208 0,12 OA/FA

Transformador 6 500 0,44 0,254 OA/FA

Transformador 7 112,5 0,208 0,12 OA/FA

Motor 1 13,2 10000Motor 2 0,44 500Motor 3 0,44 100

4. FLUJO DE CARGA

El flujo de carga esta se realizo en ETAP, mostrndolo en el siguiente diagrama:

5. CALCULO DE CORRIENTES DE FALLA

A continuacin se muestra el diagrama del resultado de Etap sobre las corrientes de falla:

6. DIAGRAMA UNIFILAR COMPLETO CON PROTECCIONES, CONTROL Y MEDIDA

En este diagrama se miestra el plano con las respectivas conexiones de cts, pts relse de proteccion en el Generador, Transformadores, Lineas de transmisin, Redes de distribucin, barrajes y motores. Tambien contiene los aparatos de medidad y control en cada uno de estos equipos.

ANEXO 1

7. SELECCIN Y COORDINACION DE PROTECCIONES

Hacer la seleccin y coordinacin de protecciones para el generador, baras, lineas, distribucin y motores.

PROTECCIONES DEL GENERADOR

CARACTERISTICAS

POTENCIA: 150 MVATENSION: 13.8 kVFRECUENCIA: 60 HZCORRIENTE NOMINAL:

I = 150000 kVA __ = 6275.54 A ( 3 *13.8kV)

Los reles que utilizamos para el generador fueron:

Rel de falla a tierra 64R Rele de temperatura 49 Rel diferencial del generador 87G Rel de sobrevoltaje - 59 Rel de impedancia. - 21 Rel de sobrecorriente temporizado - 51 Rel de prdida de sincronismo. - 78 Rel de bajo voltaje. - 27 Rel de frecuencia. 81 Rel de secuencia negativa. 46 Rel de prdida de excitacin. 40 Rel de potencia inversa. - 32

La proteccin de generadores tiene en cuenta ms condiciones de falla posibles que el resto de componentes del sistema. Las protecciones deben ser tanto manuales como automticas, se debe hacer un diseo que garantice que la unidad salga de funcionamiento cuando realmente lo necesite, evitando disparos indeseados.Cuando la unidad sale de servicio se debe hacer una adecuada revisin para evitar mayores prdidas.

PROTECCIONES PARA LAS BARRAS

Rel diferencial. - 32El rel diferencial es la proteccin principal de las barras

PROTECCIONES PARA LAS LNEAS DE TRANSMISIN

Los rels que utilizamos para las lneas de transmisin fueron:

Rel de Impedancia - 21 Rel de recierre. - 79 Rel de sobrecorriente direccional a tierra - 67 N Rel de sobrecorriente 50/51 Rel de verificacin de sincronismo.- 25 Rele de subtension 27 Rele de sobretension - 59

En una lnea de transmisin la proteccin ms importante es el rel de distancia, en base a la tensin y la corriente que puede expresarse en funcin de la impedancia, el rel har tantos intentos de disparar como circuitos caractersticos haya alrededor de un punto de impedancia dado ( redundante), se disea para diferentes longitudes por lo tanto es selectivo y zonificado adems de un tiempo de impedancia escalonado. Este rel opera en fallas hacia delante y hacia atrs dentro de una longitud definida. El rel de sobrecorriente es el auxiliar y tambin debe de colocarse un rel de sobrecorriente direccional para saber en donde ocurri la falla.

Otra de las protecciones para una lnea es el rel de recierre para fallas transitorias ya que la mayora son causadas por descargas atmosfricas, puede ser monopolar cuando la falla ocurre en una fase, y tripolar cuando ocurre en las tres fases; el recierre debe ser temporizado.

Tambin se utiliza el rel de verificacin de sincronismo para permitir el cierre del interruptor para la conexin del circuito en condiciones normales de operacin o despus de energizar la lnea por apertura de los interruptores por condiciones de falla, esto solo para cuando ocurra una falla trifsica.

PROTECCIONES PARA LA LINEA DE 100 Km

CARACTERISTICAS

LONGITUD: 100 KmFRECUENCIA: 60 HZCONDUCTORES: 3CORRIENTE NOMINAL:

I = 150000 kVA __ = 376.53 A ( 3 *230kV)


CARACTERISTICAS


I = 150000 kVA __ = 753.065 A ( 3 *115kV)


CARACTERISTICAS


I = 150000 kVA __ = 2510.21 A ( 3 *34.5kV)


CARACTERISTICAS


I = 150000 kVA __ = 6550.79 A ( 3 *13.2kV)

PROTECCIONES PARA EL TRANSFORMADOR

Los rels que utilizamos para el transformador fueron:

Rel diferencial.- 87 Rel Buchholz. - 95 Rel de sobrecorriente - 50/51. Rel de temperatura. - 49 Rel de presin.- 63

Los transformadores necesitan menos protecciones que un generador, la proteccin principal es la diferencial acompaada de la auxiliar que es la de sobrecorriente; es importante tener en cuenta las seales mecnicas de los rels Buchholz, presin sbita e imagen trmica, que pasan por transductores para convertirlas en seales elctricas activando el disparo. Estas seales mecnicas dan aviso del estado interno del transformador, antes de realizar el disparo.

PROTECCIONES DEL TRANSFORMADOR T1

CARACTERISTICAS

FRECUENCIA: 60 HZVOLTAJE= 13.8kV / 230 kVREFRIGERACION= OA/FA/FOACONEXIN= Y Y AterrizadoTRIFASICO

PRIMARIOI = 102000 kVA __ = 4267.37 A ( 3 *13.8kV)

SECUNDARIO

I = 168000 kVA __ = 421.71 A ( 3 *230kV)


CARACTERISTICAS

FRECUENCIA: 60 HZVOLTAJE= 230kV / 115 kVREFRIGERACION= OA/FA/FOACONEXIN= Y Y AterrizadoTRIFASICO

PRIMARIOI = 56000 kVA __ = 140.57A ( 3 *230kV)

SECUNDARIO

I = 56000 kVA __ = 281.145A ( 3 *115kV)


CARACTERISTICAS

FRECUENCIA: 60 HZVOLTAJE= 115kV / 34.5 kVREFRIGERACION= OA/FA/FOACONEXIN= Y Y AterrizadoTRIFASICO

PRIMARIOI = 30000 kVA __ = 150.61 A ( 3 *115kV)

SECUNDARIO

I = 40000 kVA __ = 669.39 A ( 3 *34.5kV)


CARACTERISTICAS

FRECUENCIA: 60 HZVOLTAJE= 34.5kV / 13.2 kVREFRIGERACION= OA/FA/FOA

CONEXIN= Y Y AterrizadoTRIFASICO

PRIMARIOI = 20000 kVA __ = 334.695 A ( 3 *34.5kV)

SECUNDARIO

I = 150000 kVA __ = 6550.79 A ( 3 *13.2kV)

PROTECCIONES PARA LOS TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCION

TRANSFORMADOR T5

CARACTERISTICAS

POTENCIA: 112.5 KVAFRECUENCIA: 60 HZVOLTAJE: 0.208/0.120 kV

Ahora hallamos las corrientes nominales de cada uno de los lados del transformador:

Primario:

AkV

kVAIn 26.312208.03

5.112=

=

Secundario:

AkV

kVAIn 26.541120.03

5.112=

=

De acuerdo con el artculo 450-2 de la norma NTC 2050, para transformadores en los que el lado de alimentacin es > 600V y la Z < 6%, tenemos que el fusible para el lado de alta es de 900% la corriente nominal y el interruptor a su vez, es de 800% la corriente nominal. Para el secundario el fusible es igual al 250% de la corriente nominal y para el interruptor es igual al 300% la corriente nominal.

AAIInI

AIAI

InI

erruptor

erruptor

fusible

fusible

fusible

72.249834.3128

8

34.2810

26.3129

9

int

int

==

=

=

=

=

Para las protecciones del secundario se aplica la regla anteriormente referenciada:

AAIInI

AIAI

InI

terruptorin

erruptortin

fusible

fusible

fusible

78.162326.5413

3

15.1353

26.5415.2

5.2

==

=

=

=

=

TRANSFORMADOR T6

CARACTERISTICAS

POTENCIA: 500 KVAFRECUENCIA: 60 HZVOLTAJE: 0.440/0.254 kV


Primario:

AkV

kVAIn 61.147440.03

5.112=

=

Secundario:

AkV

kVAIn 71.255254.03

5.112=

=


AAIInI

AIAI

InI

erruptor

erruptor

fusible

fusible

fusible

88.118061.1478

8

49.1328

61.14799

int

int

==

=

=

=

=


AAIInI

AIAI

InI

terruptorin

erruptortin

fusible

fusible

fusible

13.76771.2553

3

275.639

71.2555.2

5.2

==

=

=

=

=

TRANSFORMADOR T7

CARACTERISTICAS

POTENCIA: 112.5 KVAFRECUENCIA: 60 HZVOLTAJE: 0.208/0.120 kV


Primario:

AkV

kVAIn 26.312208.03

5.112=

=

Secundario:

AkV

kVAIn 26.541120.03

5.112=

=


AAIInI

AIAI

InI

erruptor

erruptor

fusible

fusible

fusible

72.249834.3128

8

34.2810

26.31299

int

int

==

=

=

=

=


AAIInI

AIAI

InI

terruptorin

erruptortin

fusible

fusible

fusible

78.162326.5413

3

15.1353

26.5415.2

5.2

==

=

=

=

=

PROTECCIONES PARA EL MOTOR

Los rels que utilizamos para el motor fueron:

Rel de baja tensin. - 27 Rele de sobretension - 59 Rel de sobrecorriente. 50/51 Rele de frecuencia 81 Rele de secuencia negativa 46 Rele diferencial - 87

Los motores deben tener protecciones contra cualquier tipo falla, en especial deben considerarse ms protecciones para los motores de gran capacidad (10000 Hp)

PROTECCION PARA EL MOTOR M1

MOTOR DE 10.000 HP1 Watt = 0.001341 HP

Interruptor

Itm = In x 2.5 =197.3125 A

Escogemos un interruptor de 500 A (NEC)

Nota:

Los rels trmicos para cada uno de estos motores se seleccionan con el valor de la corriente nominal.

PROTECCION PARA LOS MOTORES M2

Para este sistema de motores utilizaremos interruptores termomagnticos los cuales esta regidos por el NEC el cual nos dice que para motores con una potencia mayor a 1 HP utilicemos el 115% para la sobrecarga (art 430-32 del NEC) y para los cortocircuitos utilizaremos el 800% de la corriente nominal segn el NEC ( Para motores jaula de ardilla segn el art 430-152 del NEC).

A continuacin calcularemos la corriente nominal de los motores y sus corrientes de sobrecarga y corto circuito.

AKV

KWI 925.78395.085.02.13

121.1457=

=

1 Watt = 0.001341 HP

Para Motor (500 HP)

AINECdelarticuloelsegunItomaSe

gaarcsobredecorrienteIAI

KVKWI

kWP

sc

n

sc

n

n

37.14713243025,1

.10.1177

9,08,0254.03856.372

856.372

=

=

=

=

=

Como son motores jaula de ardilla, segn el articulo del NEC 430-152 no debe superar el 800% de In, asi que:

AIII

cc

ncc

8.94168

=

=

Interruptor Termomagnticos Especificaciones: 0.254KVIn = 1177.10AIsc =1471.37A

Icc =9416.8A

los datos de los interruptores y fusibles para los motores son tericos ya que no encontramos especificaciones para dichos equipos

PROTECCION PARA LOS MOTORES M3

Para este sistema de motores utilizaremos interruptores termomagnticos los cuales esta regidos por el NEC el cual nos dice que para motores con una potencia mayor a 1 HP utilicemos el 115% para la sobrecarga (art 430-32 del NEC) y para los cortocircuitos utilizaremos el 800% de la corriente nominal segn el NEC ( Para motores jaula de ardilla segn el art 430-152 del NEC).A continuacin calcularemos la corriente nominal de los motores y sus corrientes de sobrecarga y corto circuito.

1 Watt = 0.001341 HP

Para Motor (100 HP)

AINECdelarticuloelsegunItomaSe

gaarcsobredecorrienteIAI

KVKWI

kWP

sc

n

sc

n

n

27.2943243025,1

.41.235

9,08,0254.03571.74

571.74

=

=

=

=

=

Como son motores jaula de ardilla, segn el articulo del NEC 430-152 no debe superar el 800% de In, asi que:

AIII

cc

ncc

28.18838

=

=

Interruptor Termomagnticos Especificaciones: 0.254KVIn = 235.41AIsc =294.27A

Icc =1883.28A

Los datos de los interruptores y fusibles para los motores son tericos ya que no encontramos especificaciones para dichos equipos

8. ESPECIFICACIONES TECNICAS

Mostrar especificaciones de Interruptores, Seccionadores, Transformadores de instrumentos, D.S.T.

8.1 ESPECIFICACIONES DE INTERRUPTORES Y SECCIONADORES

INTERRUPTOR PARA 13.8 kVParmetro Smbolo Valor

Tensin nominal Un 13.8 kVTensin de servicio Us 13.8 kVTensin de prueba Up 28 kVTensin de impulso Ui 75kVCorriente nominal In 1030 A

Corriente de cortocircuitoIk

3.5 kA

Medio de extincin: air-insulatedModelo : 1JP3/5HPG SIEMENS

SECCIONADOR PARA 13.8 kVParmetro Smbolo Valor

Tensin nominal Un 13.8 kVTensin de servicio Us 13.8 kV

Tensin de prueba Up 28 kVTensin de impulso Ui 75kVCorriente nominal In 1030 A


3.5 kA

Modelo: 4DU9 SIEMENS

INTERRUPTOR PARA 230 kVParmetro Smbolo Valor

Tensin nominal Un 248 kVTensin de servicio Us 230 kVTensin de prueba Up 460 kVTensin de impulso Ui 700kVCorriente nominal In 6000A


54 kA

Medio de extincin: air-insulatedModelo : 4YJ2/5UP9 SIEMENS

SECCIONADOR PARA 230 kVParmetro Smbolo Valor



54 kA

Modelo: 8FR2 SIEMENS

INTERRUPTOR PARA 115 kVParmetro Smbolo Valor



40 kA

Medio de extincin: air-insulatedModelo : 3IO8/3WO1 SIEMENS

SECCIONADOR PARA 115 kVParmetro Smbolo Valor

Tensin nominal Un 123 kVTensin de servicio Us 115 kV Tensin de prueba Up 230 kVTensin de impulso Ui 550kACorriente nominal In 4000A


40 kA

Modelo: 6DH9 SIEMENS

INTERRUPTOR PARA 34.5 kVParmetro Smbolo Valor

Tensin nominal Un 36/38 kVTensin de servicio Us 34.5 kVTensin de prueba Up 70 kVTensin de impulso Ui 170kACorriente nominal In 335 A


2.7 kA

Medio de extincin: air-insulatedModelo : 2BU25 SIEMENS

SECCIONADOR PARA 34.5 kV

Parmetro Smbolo ValorTensin nominal Un 36/38 kV

Tensin de servicio Us 34.5 kVTensin de prueba Up 70 kVTensin de impulso Ui 170kACorriente nominal In 335 A


2.7 kA

Modelo: 3DP2 SIEMENS

INTERRUPTOR PARA 13.2kVParmetro Smbolo Valor

Tensin nominal Un 14.5 kVTensin de servicio Us 13.2 kVTensin de prueba Up 26.4 kVTensin de impulso Ui 40kVCorriente nominal In 1200 A


10.8 kA

Medio de extincin: air-insulatedModelo : 2HU98 SIEMENS

SECCIONADOR PARA 13. kVParmetro Smbolo Valor

Tensin nominal Un 14.5 kVTensin de servicio Us 13.2 kVTensin de prueba Up 26.4 kVTensin de impulso Ui 40kVCorriente nominal In 1200 A


10.8 kA

Modelo: 3HYS6 SIEMENS

8.2 ESPECIFICACIONES DE LOS TRANSFORMADORES DE INSTRUMENTOS

TRANSFORMADOR DE CORRIENTE Y POTENCIAL PARA 13.8 kV

PT 2 HUT-65 ARTECHE Tensin nominal 13.8kVTensin mxima de servicios 27kVClase 0.5Relacin de transformacin 13.8/0.120 kVFrecuencia de utilizacin 60 HzPotencia de precisin 75 VA

TC7 CRB-17 ARTECHE Tensin mxima de servicio 17.5 kVClase 5P10Numero de nucleos 1Mxima intensidad termica admisible a 1 s 48 kAFrecuencia 60 HzRelacion de transformacion 1200/5APotencia de precision 20

Elementos conectados al CT y al PT

Reles conectados a los CTs:

81,21,32,40,46, 51, A, W,VAR y medidores del Generador87 y 50/51 del Transformador

Reles conectados al los PTs:

81,21,32,27,59,78,87G, 86, W,VAR y medidores

TRANSFORMADOR DE CORRIENTE Y POTENCIAL PARA 230

PT DJT-29 ARTECHE

Tensin nominal 230kVTensin mxima de servicios 240kVClase 0.5Relacin de transformacin 230/0.120 kVFrecuencia de utilizacin 60 HzPotencia de precisin 102 VA

TC7 CRB-17 ARTECHE Tensin mxima de servicio 230 kVClase 5P10Numero de nucleos 1Mxima intensidad termica admisible a 1 s 300kAFrecuencia 60 HzRelacin de transformacin 1000/5APotencia de precisin 20



50/51,67N, 67, 21,79, 25, A, W,VAR y medidores


67N, 67, 27, 59, 21, W,VAR y medidores

TRANSFORMADOR DE CORRIENTE Y POTENCIAL PARA 115 kV

PT UHF-43 ARTECHE

Tensin nominal 115kVTensin mxima de servicios 125kVClase 0.8Relacin de transformacin 115/0.120 kVFrecuencia de utilizacin 60 HzPotencia de precisin 102 VA

TC7 LOT-12 ARTECHE Tensin mxima de servicio 125 kVClase 5P10Numero de nucleos 1Mxima intensidad termica admisible a 1 s 220kAFrecuencia 60 HzRelacion de transformacion 300/5APotencia de precision 20



21, 87B1, 67n,67, 50/51, A, W,VAR y medidores


21, 67n, 67, 27, 59, W,VAR y medidores


PT UHR-43 ARTECHE

Tensin nominal 34.5kVTensin mxima de servicios 40kVClase 0.6Relacin de transformacin 34.5/0.120 kVFrecuencia de utilizacin 60 HzPotencia de precisin 102 VA

TC7 CRB-17 ARTECHE Tensin mxima de servicio 125 kVClase 5P10Numero de ncleos 1Mxima intensidad termica admisible a 1 s 180kAFrecuencia 60 HzRelacion de transformacion 400/5APotencia de precision 30



67N, 67, 50/51, 21, 79, 87B2, A, W,VAR y medidoresReles conectados al los PTs:

27, 59, 21, W,VAR y medidores


PT OYR64-4 ARTECHE

Tensin nominal 13.2 kVTensin mxima de servicios 24 kVClase 0.5Relacion de transformacin 13.2/0.120 kV

Frecuencia de utilizacin 60 HzPotencia de precision 75 VA

TC7 CSB-57 ARTECHE

Tensin mxima de servicio 24 kVClase 5P10Numero de ncleos 1Mxima intensidad termica admisible a 1 s 300kAFrecuencia 60 HzRelacion de transformacion 800/5APotencia de precision 30



67n, 67, 50/51, 21, 87B3, A, W,VAR y medidores


67N, 67, 27, 59, 21, W,VAR y medidores

9. MEMORIAS DE CALCULO DE COORDINACION DE AISLAMIENTO (D.S.T.)

COORDINACION PARA 13.8 kV

VN= 13.8 kVVmax=13.8kV*1.07=14.766 kVVN(D.S.T.)=(14.766kV/ 3 )*1.73= 14.78 kVKI= 1.25

DATOS DEL FABRICANTEMarca: AREVAV nom: 45 kVRef: HJF65

CARACTERISTICAS DEL DESCARGADOR VALOR(kV)

Tensin de impulso 1.2/50s 245Tensin residual onda de corriente 8/20s (para

10kA)125

Tensin de cebado al frente de onda 135Tensin de maniobra 100

Para la eleccin del NPR se escoge el mayor valor entre:Tensin mxima de cebado al frente de onda dividido por 1.15

135/1.15 = 117 kV

Tensin mxima residual = 125 kV

NPR = 245 kVNPM = 125 kV

Aislamiento en aire (OA)

La norma IEC 71 recomienda que los factores de seguridad KI y KM sen 1.25 y 1.15 respectivamente.NPR * KI = 245*1.25 = 306.25 kV, ms la correccin por asnm 340.5kV.Lo cual permite escoger un valor normalizado para BIL de 350 kV.

K = 0.75

BIL = 350 kVBSL = K * BIL BSL = 0.75* 350BSL = 262.5kV

Ahora debemos buscar que la siguiente relacin se cumpla:

BSL/NPM > KM

262.5/125 = 2.1

Vemos que si se cumple:2.1 >1.15

COORDINACION PARA 230 kV

VN=230 kVVmax = 230 kV*1.07 = 246.1 kVVN (D.S.T.)= (246.1kV/ 3 )*1.73=198.92 kV

El descargador que seleccionaremos sera el siguiente:

DATOS DEL FABRICANTEMarca: SIEMENSVnom: 204 kVRef.: 3EM3/204 ON

CARACTERISTICAS DEL DESCARGADOR VALOR

Tensin de impulso 1.2/50 s 500 kV

Tensin residual onda de corriente 8/20 s para (10 kV) 490 kV

Tensin de cebado al frente de onda 575 kV

Tensin de maniobra 490 kV

Para la eleccin del NPR se escoge el mayor valor entre:Tensin mxima de cebado al frente de onda dividido por 1.15

575/1.15 = 500 kV



AISLAMIENTO EN AIRE (OA)KI=1.25 NPR * KI = 500 * 1.25 = 625 KvLa correccin de asnm 650kV

BIL de 650kV Valor normalizado

Factor de seguridad del aire K = 0.75Factor tipo rayo KM = 1.15

BSL = K * BIL = 0.75 * 650 = 487.5 kVBSL/NPM > KM487.5/490 = 0.990.99 > 1.15 No cumple

Debemos escoger un BIL mayor debido a que no cumple con la condicin del factor KM

BIL = 750 kV Valor normalizado


Debemos escoger un BIL mayor debido a que no cumple con la condicion del factor KM


BSL = K * BIL = 0.75 * 850 = 637.5 kVBSL/NPM > KM637.5/490 = 1.301.30 > 1.15 Si cumple

De esta manera tomamos el BIL de 850 kV debido a que debemos proteger nuestros equipos de manera critica de ingenieria.

AISLAMIENTO EN ACEITE (FA)

NPR * KI = 500 * 1.25 = 625 KvLa correccin de asnm 650kV


Factor de seguridad del aceite K = 0.83Factor tipo rayo KM = 1.15


Debemos escoger un BIL mayor debido a que no cumple con la condicion del factor KM


BSL = K * BIL = 0.83 * 750 = 622.5 kVBSL/NPM > KM622.5/490 = 1.27 > 1.15 Si cumple

Por tanto tomamos el BIL para aceite hallado anteriormente.

COORDINACION PARA 115 kV

VN=115 kVVmax = 115 kV*1.07 = 123.05 kVVN (D.S.T.)= (123.05kV/ 3 )*1.4=99.46 kV

El descargador que seleccionaremos ser el siguiente:

DATOS DEL FABRICANTE

Marca: AREVAVnom: 170 kVRef.: PSE 132C

CARACTERISTICAS DEL DESCARGADOR VALOR

Tensin de impulso 1.2/50 s 450 kV

Tensin residual onda de corriente 8/20 s para (10 kV) 359 kV

Tensin de cebado al frente de onda 388 kV

Tensin de maniobra 296 kV

Para la eleccin del NPR se escoge el mayor valor entre: Tensin mxima de cebado al frente de onda dividido por 1.15

388/1.15= 337.39 kV



AISLAMIENTO EN AIRE (OA)

NPR * KI = 450 * 1.25 = 562.5 KvLa correccin de asnm 582.25kV



BSL = K * BIL = 0.75 * 600 =450 kVBSL/NPM > KM450/359 = 1.251.25 > 1.15 Si cumple

De esta manera tomamos el BIL de 600 kV debido a que debemos proteger nuestros equipos de manera crtica de ingeniera.





BSL = K * BIL = 0.83 * 850 = 674 kVBSL/NPM > KM674/359 = 1.871.87 > 1.15 Si cumple



VN=34.5 kVVmax = 34.5 kV*1.07 = 36.915 kV

VN (D.S.T.)= (36.915kV)*1.73=63.86 kV


DATOS DEL FABRICANTEMarca: AREVAV nom: 72.5 kVRef: PSE 84C



10kA)228


Para la eleccin del NPR se escoge el mayor valor entre:Tensin mxima de cebado al frente de onda dividido por 1.15.

247/1.15=214.78kV

Tensin residual. 228 kV

NPR= 325 kVNPM= 228kV






De esta manera tomamos el BIL de 450 kV debido a que debemos proteger nuestros equipos de manera critica de ingenieria.


Norma IEC 71: Factores de seguridad KI=1.25 y KM=1.15.

NPR * KI = 325 * 1.25 = 406.25 Kv

La correccin de asnm 450kV






VN=13.2 kVVmax = 13.2 kV*1.07 = 14.124 kVVN(D.S.T.)= (14.124kV)*1.73=24.43 kV


DATOS DEL FABRICANTE

Marca: AREVAV nom: 36 kVRef: PSE 60C



10kA)163


Para la eleccin del NPR se escoge el mayor valor entre:

Tensin mxima de cebado al frente de onda dividido por 1.15.176/1.15=202.4 kV

Tensin residual. 163 kV

NPR= 325 kVNPM= 163kV


Norma IEC 71: Factores de seguridad KI=1.25 y KM=1.15.

NPR * KI = 225 * 1.25 = 281.25 KvLa correccin de asnm 302kV



BSL = K * BIL = 0.75 * 300 = 225 kVBSL/NPM > KM225/163 = 1.381.38 > 1.15 Si cumple

De esta manera tomamos el BIL de300 kV debido a que debemos proteger nuestros equipos de manera critica de ingenieria.


NPR * KI = 325 * 1.25 = 406.25 KvLa correccin de asnm 450kV





10. MEMORIAS DE CALCULO PARA LAS DISTANCIAS MINIMAS Y DE SEGURIDAD

10.1CALCULO DE DISTANCIAS MINIMAS EN EL AIRE

NIVEL DE TENSIN DE 230 kV

Las distancias mnimas en el aire para el aislamiento fase-fase y fase-tierra pueden determinarse en relacin con los niveles de aislamiento al impulso estndar seleccionado anteriormente en la coordinacin de aislamiento.La separacin mnima est dada por la expresin:

dmin = 1.04 (U o,w / Es)

Donde: U o,w= 750 kVEs= 520 kV

(Es es el gradiente medio positivo al 50% de probabilidad de flameo en kV/m. IEC recomienda un valor de 520kV/m con el que se puedan considerar la generalidad de configuraciones.)

Reemplazando se obtiene:dmin= 1.04 (750/520) = 1.5 m

Aislamiento Fase-Fase y Fase-Tierra

Tomando el BIL de 750 kV para la tensin dada:

CFO = BIL = 750 = 780.4 kV 0.961 0.961

CFO = 780.4 kV al nivel del mar, para nuestra altura 3000 msnm tenemos:

Log P = Log 76 - h 18336

Log P = Log 76 - 3000 18336

P = 52.14 cm

t = -0.007h + 31t = -0.007 * 3000 + 31t = 28.9 C

n = 3.92 * P 273 + t

n = 3.92 * 52.14 273 + 28.9

n = 0.67

d minF-T = CFO nomnal * Kh 550 * n

Donde Kh = 1 por corresponder a la configuracin punta-placa que es la ms crtica.

d minF-T = 780.4 * 1550 * 0.67

d minF-T = 2.11m

dmin F-F = 1.15 * dmin F-Tdmin F-F = 1.15 * 2.11dmin F-F = 2.4 m




CFO = BIL = 600 = 624.34 kV 0.961 0.961


Log P = Log 76 - h 18336

Log P = Log 76 - 3000 18336

P = 52.14 cm

t = -0.007h + 31t = -0.007 * 3000 + 31t = 28.9 C

n = 3.92 * P 273 + t

n = 3.92 * 52.14 273 + 28.9

n = 0.67



d minF-T = 624.34 * 1550 * 0.67

d minF-T = 1.69 m


NIVEL DE TENSIN DE 34.5 Kv



CFO = BIL = 450 = 468.26 kV 0.961 0.961


Log P = Log 76 - h 18336

Log P = Log 76 - 3000

18336

P = 52.14 cm

t = -0.007h + 31t = -0.007 * 3000 + 31t = 28.9 C

n = 3.92 * P 273 + t

n = 3.92 * 52.14 273 + 28.9

n = 0.67



d minF-T = 468.26 * 1550 * 0.67

d minF-T = 1.27 m


NIVEL DE TENSIN DE 13.2 kV



CFO = BIL = 300 = 312.17 kV 0.961 0.961


Log P = Log 76 - h 18336

Log P = Log 76 - 3000 18336

P = 52.14 cm

t = -0.007h + 31

t = -0.007 * 3000 + 31t = 28.9 C

n = 3.92 * P 273 + t

n = 3.92 * 52.14 273 + 28.9

n = 0.67



d minF-T = 312.17 * 1 550 * 0.67

d minF-T = 0.84 m





CFO = BIL = 350 = 364.20 kV 0.961 0.961


Log P = Log 76 - h 18336

Log P = Log 76 - 3000 18336

P = 52.14 cm

t = -0.007h + 31t = -0.007 * 3000 + 31t = 28.9 C

n = 3.92 * P 273 + t

n = 3.92 * 52.14 273 + 28.9

n = 0.67



d minF-T = 364.20 * 1550 * 0.67

d minF-T = 0.98 m

dmin F-F = 1.15 * dmin F-Tdmin F-F = 1.15 * 0.98dmin F-F = 1.136m

DISTANCIA MNIMA ENTRE CONDUCTORES DEL BARRAJE

Este se calcula como:Dmin-barraje = dmin f-f + K*f

D: distancia mnima entre conductores de barrajeK: factor dependiente del tipo de conductor seleccionado para el barraje. (para ACSR K=10)f: flecha del conductor (se puede asumir f= 0.15m)

dminf-f: 2.4m (230kV) dminf-f: 1.94m (115kV) dminf-f: 1.46 m (34.5kV) dminf-f: 1.13m (13.8kV) dminf-f: 0.97 m (13.2kV)

Dmin-barraje = 2.4 + 10*0.15= 3.6 m (230kV)Dmin-barraje = 1.94 + 10*0.15= 2.91m (115kV)Dmin-barraje = 1.46 + 10*0.15= 2.96 m (34.5kV)Dmin-barraje = 1.13 + 10*0.15= 1.69m (13.8kV)Dmin-barraje = 0.97 + 10*0.15= 1.455m (13.2)Kv

10.2 DISTANCIAS DE SEGURIDAD


Valor bsico = valor bsico + 2.25mValor bsico = 2.4 * 1.10 = 2.64m

Distancias entre partes energizadas y suelo:

Ds = Valor bsico + 2.25mDs= 2.64+2.25 = 4.89m

Distancias entre partes con tensin y zonas de trabajo:

Vertical Dv= Valor bsico + 1.25mDv= 2.64 + 1.25= 3.79m

Horizontal Dh= Valor bsico + 1.75mDh= 2.64+1.75= 4.39m

Altura de barrajes

hb = Altura de los barrajes = 5 + 0.0125 * T ( kV)hb = 5 + 0.0125 * 245kVhb = 8.06m

Se corrige por altura:

hb = 8.06 + 0.0125 ( 3000/100)*8.06hb = 11.08 m

Altura de la lnea.

hL= Altura de la lnea = 5 + 0.006*T (kV)hL= 5 + 0.006* 245kVhL= 6.47m


hL = 6.47+ 0.0125 (3000/100)*6.47hL = 8.89 m

Altura del equipo.

hS= Altura del equipo= 2.30 + 0.0105 *T(kV)

hS= 2.30 + 0.0105 *245kVhS= 4.87m


hS = 4.87 + 0.0125 (3000/100)*4.87hS = 8.9 m

Barraje rgido.

A = Distancia entre fases de un mismo circuito:A = d min F-F + 10%A = 2.4+ 1.1A = 3.5 m

C = Distancia entre fases de diferentes circuitos:

C= d min F-F +25 %C= 2.4m + 1.25C= 3.65 m


Distancias entre partes energizadas y el suelo.

Valor bsico = dmin F-T * 1.10Valor bsico = 1.69 * 1.10Valor bsico = 1.859 m

Ds bsico = valor bsico + 2.25 mDs bsico = 1.859 m + 2.25 mDs bsico = 4.109 m

Distancias entre partes con tensin y zonas de trabajo.

Vertical Dv = Valor bsico + 1.25m Dv = 1.859m + 1.25 m Dv = 2.982 m

Horizontal Dh = Valor bsico + 1.75 m Dh = 1.859 m + 1.75 m Dh = 3.607 m

Altura de barrajes

hb = Altura de los barrajes = 5 + 0.0125 * T ( kV)

hb = 5 + 0.0125 * 123kVhb = 6.53m


hb = 6.53 + 0.0125 ( 3000/100)*5.46hb = 8.57 m

Altura de la lnea.

hL= Altura de la lnea = 5 + 0.006*T (kV)hL= 5 + 0.006* 123kVhL= 5.73 m


hL = 5.73 + 0.0125 (3000/100)*5.22hL = 7.68 m

Altura del equipo.


hS= 2.30 + 0.0105 * 123kVhS= 3.59 m


hS = 3.59 + 0.0125 (3000/100)*2.7hS = 4.60 m

Barraje rgido.

A = Distancia entre fases de un mismo circuito:A = d min F-F + 10%A = 1.94 + 1.1A = 3.04 m

C = Distancia entre fases de diferentes circuitos:C= d min F-F +25 %C= 1.94 + 1.25C= 3.19 m








Altura de barrajes

hb = Altura de los barrajes = 5 + 0.0125 * T ( kV)hb = 5 + 0.0125 * 36.9kVhb = 5.46m


hb = 5.46 + 0.0125 ( 3000/100)*5.46hb = 7.5 m

Altura de la lnea.

hL= Altura de la lnea = 5 + 0.006*T (kV)hL= 5 + 0.006* 36.9kVhL= 5.22 m


hL = 5.22 + 0.0125 (3000/100)*5.22hL = 7.17 m

Altura del equipo.

hS= Altura del equipo= 2.30 + 0.0105 *T(kV)hS= 2.30 + 0.0105 *36.9kVhS= 2.7m


hS = 2.7 + 0.0125 (3000/100)*2.7hS = 3.7 m

Barraje rgido.


C = Distancia entre fases de diferentes circuitos:C= d min F-F +25 %C= 1.46 m + 1.25C= 2.71 m








Altura de barrajes


hb = 5 + 0.0125 * 14.12kVhb = 5.17m


hb = 5.17 + 0.0125 ( 3000/100)*5.46hb = 7.21 m

Altura de la lnea.



hL = 5.08 + 0.0125 (3000/100)*5.22hL = 7.03 m

Altura del equipo.


hS= 2.30 + 0.0105 * 14.12kVhS= 2.44 m


hS = 2.44 + 0.0125 (3000/100)*2.7hS = 2.47 m

Barraje rgido.


C = Distancia entre fases de diferentes circuitos:C= d min F-F +25 %C= 0.97 m + 1.25C= 2.22 m



Valor bsico = dmin F-T * 1.10Valor bsico = 0.98* 1.10Valor bsico = 1.078m

Ds bsico = valor bsico + 2.25 mDs bsico = 0.98 m + 2.25 mDs bsico = 3.23m




Altura de barrajes


hb = 5 + 0.0125 * 14.76kVhb = 5.18 m


hb = 5.18 + 0.0125 ( 3000/100)*5.46hb = 7.22 m

Altura de la lnea.



hL = 5.08 + 0.0125 (3000/100)*5.22hL = 7.03 m

Altura del equipo.


hS= 2.30 + 0.0105 * 14.76kVhS= 2.45 m


hS = 2.45 + 0.0125 (3000/100)*2.7

hS = 3.46m

Barraje rgido.


C = Distancia entre fases de diferentes circuitos:C= d min F-F +25 %C= 1.136 + 1.25C= 2.05 m

11. MEMORIA DE CALCULO PARA LA MALLA DE PUESTA A TIERRA

CALCULO DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA

rea seleccionada = 30m x 30m

Isc = 23.6 kA

s = 2 Segundos; tiempo de clarificacin de la falla.

Tm = 1083C; Temperatura mxima permisible conductor

Ta = 40 C Temperatura ambiente mxima.

= 500 x m. Resistividad del terreno.

s = 5000 x m; Resistividad del cascajo o gravilla. tomado del articulo 18 edificaciones del RETIE

Seccin transversal en circular MILS.

STaTaTm

IccA

33

1234

log

+

+

=

2*33

140234401083log

23600

+

+

=

kAA

A = 232190.39 cmil

1 cmil = 5.064 x 10-4 mm2 232190.39 cmil = 117.58 mm2

Se utiliza un conductor # 4/0 AWG desnudo en cobre.

Dimetro: 13.5 mm = 0.0135 m

30m

30m

9 varillas seleccionadas verticalmente cada una de 30m de longitud.

9 varillas seleccionadas horizontalmente cada una de 30m de longitud.

Haciendo una sumatoria de la cantidad de varillas de cobre tenemos que la cantidad de cobre = 270m + 270m = 540m

De acuerdo al estudio de la cantidad de elementos que se van a aterrizar, tenemos que son aproximadamente 12 varillas, contando 4 correspondientes a las esquinas de la malla, 1 destinada a las mediciones de la resistividad, 1 para el generador, 2 para los seccionadores, 2 para el cuarto de control. Si utilizamos varillas cuya longitud es de 2m, entonces:

Cantidad de cobre utilizado = 540m + 24m = 564m

Ldiseo = 564m

Ahora se hacen los clculos para hallar la Lcalculada

279.01615....

431

8.00083.0162

21

1615

1413

1211

109

87

65

431

1621

174.0116

2

2

=

+

=

+

=

+

=

km

LnLnkm

Lndh

DLnkm

tIkikmLcs

pipi

pipi

ki: s n > igual a 7, tomamos ki = 2

D = ancho de una cuadrcula en m

d = dimetro del conductor desnudo en m

h = 0.8m profundidad a la que est la malla de puesta a tierra

n = 9; mayor nmero de varillas (horizontal verticalmente)

Ahora remplazamos en la frmula de Lcalculada, y tenemos:

mmAmLc 74.592

/5000174.011635.6275/5002279.0

=

+

=

Haciendo una comparacin entre la Lcalculada y la Ldiseo, nos damos cuenta que la primera es menor que la segunda, es decir, sta malla de puesta a tierra es ms que suficiente.

Para calcular la tensin de toque:

VEtm

AmEt

LdIsckikmEt

37.3104564

5.6275/5002279.0

=

=

=

Para la tensin de paso:

586.028

1...23

122

18.02

18.02

1181....

31

211

211

=

++

+

++

+

=

++++

++=

=

ks

ks

DDDhDhks

LdIkiksEp

pi

pi

Reemplazando en la frmula inicial de voltaje de paso

VEpm

AmEp

28.6520564

5.6275/5002586.0

=

=

Para calcular la resistencia de la malla de puesta a tierra:

cmacmcma

kA

LdkaLdLn

LdR

52.118083.02

2

1

1

211

11

=

=

+

=

pi

k1 = 1.4

k2 = 5.6

A = 1500.000cm2; rea de la malla de puesta a tierra en cm2

=

+

=

05.0

6.5109

564004.152.11

56400256400

/500

11

611

R

LnmRpi

Para hallar R22, tenemos:

( )

+

=

2111

122 1

2142

nALk

bLLn

nLR

pi

n = 270 + 12 varillas = 282m = 28200cm

b = 1.587cm dimetro de la varilla en cm

L1 = 200cm; longitud de la varilla

Reemplazando en la frmula inicial de R22:

( )=

+

=

0440.0

128200109

2004.121587.12004

200282002500

22

2

622

R

LnRpi

Para hallar la resistencia R12

=

+

+

=

+

+

=

10592.0

16.5105.1

564004.1200564002

56400500

12

12

612

211

12

R

LnR

kA

LdkLLdLn

LdR

pi

pi

Para hallar la resistencia general

( )

( )( )

=+

=

+

=

0502.01059.020440.005.0

1059.01059.005.0

22

122211

2121211

general

general

general

R

R

RRRRRRR

12. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

En el diagrama unifilar entregado para nuestro diseo de protecciones encontramos las siguientes irregularidades:

La distancia entre el transformador de potencia y el barraje de la S/E 34.5 KV es muy grande para nuestro concepto debido a que lo recomendable es que los bancos de transformadores esten dentro de la misma S/E y no como se nos muestra en el diseo inicial a 4 Km.

El motor de 100 HP se muestra conectado en el diagrama unifilar a 11.4 kV. Recomendamos que para motores de esta potencia lo mejor es, conectarlo a un nivel de tension mucho menor, en nuestro caso sugerimos una conexin a 208V. en donde se calcularon las protecciones para dicha tension.

Todos los dispositivos de un sistema de potencia deben llevar una proteccin principal y una proteccin de respaldo.

Todo diseo elctrico necesita de protecciones en los dispositivos que conforman el sistema, tambin requieren de una supervisin en sus medidores de energa y de un tablero de maniobra para controlar las variaciones de la carga que repercuten en los elementos de dicho sistema; porque siempre se va a encontrar un sistema donde la carga este variando y esto conlleva a que los parmetros elctricos estn cambiando.

La clase de precisin de los transformadores de corriente y tensin de medida, son diferentes a los que se utilizan para la proteccin, ya que para los de medida se requiere de una medida confiable, para saber como estn cambiando los parmetros elctricos.

En la proteccin de barras se puede utilizar rel diferencial zonificado mientras que en la proteccin diferencial del transformador es una nica zona.

Se estudiaron los parmetros que se deben tener en cuenta para el ajuste de los rels.

Para determinar el burden de los TCS no se tienen en cuenta los rels de tipo mecnico ya que estos actan directamente sobre el rel de disparo utilizando transductores.

Es importante mencionar que para estructuras normalizadas, habrn diferentes protecciones en cada proyecto de subestacin, ya que estas dependen del conductor, del diseo que se establezca

Para proteger cualquier elemento dentro de un sistema de potencia se debe tener en cuenta las protecciones principales y de respaldo que deben actuar en caso de falla.

Del ptimo diseo de la malla a tierra y del clculo de las distancias mnimas de seguridad depende la seguridad tanto de los equipos como de los operarios dentro de la subestacin.

No es preciso solo proteger un sistema elctrico contra un tipo de sobretensiones; todo equipo o sistema debe ser protegido para sobretensiones internas y externas.

No es correcto suponer que el pararrayos es el mismo descargador de sobretensiones, dado que el pararrayos es un mstil puesto a tierra que drena solo las sobretensiones externas; mientras que el descargador, drena sobretensiones externas y a su vez verifica los cambios de tensin en la red y permite que esas sobretensiones sean llevadas a tierra para evitar daos o accidentes.

De igual manera el apantallamiento hecho a lneas, redes y subestaciones, se comporta tambin como pararrayos, es decir solo proteger contra descargas atmosfricas.

La apertura de lneas en vaci no provoca cambios en la frecuencia, mientras que el cierre de las mismas causa efectos de sobre frecuencia.

El posicionamiento de los descargadores se har dependiendo de la zona que se desea proteger y la distancia entre estas y el aparato se har mximo a lo que comprenda la altura del descargador, si se desea proteger una etapa de transformacin, se pondr cerca al transformador y si es en la llegada o salida de una red se pondr en donde inicie la etapa de conexin es decir antes de los CT y los PT.

Se admite que an en un material bien dimensionado puedan producirse fallas y el problema es entonces limitar su frecuencia teniendo en cuenta un criterio. econmico basado en costo y continuidad del servicio.

La coordinacin de aislamientos est esencialmente basada en limitar el riesgo de falla, en lugar de fijar a priori un margen de seguridad.

TABLA DE CONTENIDO

1. MARCO TEORICO2. DIAGRAMA UNIFILAR DEL SISTEMA3. DATOS DE CADA UNO DE LOS ELEMENTOS DEL SISTEMA4. FLUJO DE CARGA5. CALCULO DE CORRIENTES DE FALLA6. DIAGRAMA UNIFILAR COMPLETO CON PROTECCIONES, CONTROPL Y MEDIDA.7. SELECCIN Y COORDINACION DE PROTECCIONES8. ESPECIFICACIONES TECNICAS8.1 ESPECIFICACIONES DE INTERRUPTORES Y SECCIONADORES8.2 ESPECIFICACIONES DE TRANSFORMADORES DE INSTRUMENTOS9. MEMORIAS DECALCULO DE COORDINACION DE AISLAMIENTO (D.S.T.)10. MEMORIA DE CALCULO PARA LAS DISTANCIAS MINIMAS Y DE SEGURIDAD10.1CALCULO DE DISTANCIAS MINIMAS EN EL AIRE10.2DISTANCIAS DE SEGURIDAD11. MEMORIA DE CALCULO PARA LA MALLA DE PUESTA A TIERA12. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

SOBRETENSIONES EXTERNASSOBRETENSIONES INTERNASDESCARGADORES DE SOBRETENSIONIkIkIkIkIkIkIkIkIkIk

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