3. CONFIGURACIN DE LA SUBESTACIN

En este apartado se exhiben los diagramas unifilares de la subestacin y se describen las configuraciones de los barrajes de para cada nivel de tensin.

3.1 Diagrama Unifilar3.1.1 Simple

3.1.2 Detallado

3.2 Configuracin de los Barrajes por Nivel de Tensin

La eleccin del diagrama unifilar de una subestacin depende de las caractersticas especficas de cada sistema elctrico y de la funcin que realiza dicha subestacin en el sistema. Para todo esto cada nivel de tensin tiene diferentes requerimientos en cuanto a confiabilidad, seguridad y continuidad del servicio, se requiere de distintas configuraciones teniendo en cuenta los anteriores criterios. El diagrama de conexiones que se adopte, determina en gran parte el costo de la instalacin. Las configuraciones o arreglos de los equipos electromecnicos constitutivos de cada nivel de tensin se disea de tal forma que garantice facilidad en el control y proteccin, accesibilidad para mantenimiento, rea disponible y un alto grado de seguridad y flexibilidad para la transformacin y distribucin de la energa.

3.2.1 Para 230 [kV] Y 115[kV]

Para estos niveles de tensin se debe contar con una configuracin con un alto ndice de seguridad y confiabilidad, tanto por falla en barras como en interruptores, entre todas las configuraciones se adapta de mejor manera a estos requerimientos la configuracin en ANILLO.

ConfigVentajasDesventajas#interruptores#seccionadores

Anillo Econmica y segura. Ningn circuito se pierde si se rompe el anillo. El mantenimiento de un interruptor se garantiza la proteccin mediante los interruptores restantes. No hay barra principal.

Mayor requerimiento de espacio. La apertura del anillo ocasiona que la corriente por los interruptores sea mayor. Diseo de protecciones ms complejo. En caso de falla en un circuito mientras se hace mantenimiento en otro, el anillo podra quedar dividido y dejar fuera de servicio a una de las partes.

# lneas

3 x # lineas

3.2.2 Para 34.5 [kV] y 13.8 [kV]

Para estos niveles, la configuracin que mas se adapta de mejor manera a estos requerimientos la configuracin en CELDAS.

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4. ESPECIFICACIN DE ELEMENTOS POR TENSIN

A continuacin se realizan las correcciones necesarias para especificar correctamente los elementos de la subestacin. Debido a las posibles fallas en el sistema estos elementos se ven expuestos a esfuerzos por sobretensiones y sobrecorrientes, adems, la altura sobre el nivel del mar debe tenerse en cuenta para el clculo del nivel bsico de aislamiento (BIL).El nivel bsico de aislamiento es la medida de la capacidad que tiene el sistema para soportar sobretensiones debido a descargas atmosfricas.El BIL es uno de los factores que ms influye en los costos de la subestacin es el nivel bsico de aislamiento BIL, ya qu de acuerdo a ste se determinan las caractersticas y por consiguiente el costo de los equipos, las distancias entre fases y fase a tierra, entre otras cosas.En las tablas encontramos referencias del BIL para los diferentes niveles de tensin normalizados y alturas sobre el nivel del mar de 1000m, por lo que para la caracterizacin del presente proyecto habr de multiplicarse este valor por el factor de correccin de nivel de aislamiento debido a que la Subestacin La Esperanza se encuentra a 2525 m.s.n.m.

Valores normales de tensin entre fases.

Factor de correccin del nivel de aislamiento por altura sobre el nivel del mar

Tabla xxx. Niveles de Aislamiento I

En la tabla del nivel bsico de aislamiento BIL encontramos que para una tensin normalizada el BIL es para una altura sobre el nivel del mar de 1000m, por lo que en la tabla de factor de correccin del BIL (Tabla 6) se interpola para hallar el factor de correccin para una altura de 2525 m.s.n.m. como sigue:

Para el caso de la subestacin, donde la altura sobre el nivel del mar es de 2640 metros:

El valor del factor de correccin de aislamiento es igual a 0,84.

4.1.1 BIL Para Nivel de Tensin de 230 [kV]

Para una tensin de 230[kV] encontramos que un posible valor para el BIL es de 750[kV] para una altura sobre el nivel del mar de m, por lo se hace la correccin:

Con este valor se busca en la Tabla xxx. Niveles de Aislamiento I, y se ve que es un valor inferior al BIL inicialmente propuesto y se debe verificar que ste nuevo valor pertenezca a la tensin mxima del nivel de tensin que se est calculando.En este caso el valor de tabla inferior al BIL externo corregido es 630 [kV], por fuera de la seccin de 245 [kV] correspondiente a la tensin mxima 230[kV]. De esta forma es necesario subir de nivel de tensin seleccionado en la Tabla xxx. Niveles de Aislamiento I. Se toma un valor superior a 750, que segn la tabla debe ser de 850 y se vuelve a corregir el BIL de la misma manera como se corrigi anteriormente.

Con este valor se busca en la Tabla xxx. Niveles de Aislamiento I, y se ve que es un valor inferior al BIL posteriormente propuesto y se debe verificar que ste nuevo valor de pertenezca a la tensin mxima del nivel de tensin que se est calculando.En este caso el valor est dentro de los niveles de tensin de la la Tabla xxx. Niveles de Aislamiento I, luego un valor de BIL de 850 [kV] cumple con los parmetros de diseo.

4.1.2 BIL Para Nivel de Tensin de 115 [kV]

Para hallar el BIL para este nivel de tensin se hace el mismo procedimiento pero, mirando nuevamente la Tabla xxx. Niveles de Aislamiento I, pero esta vez para 123 [kV].Se escoge un valor para un BIL inicial de 550[kV], y se verifica, con el factor =0,84 si se debe o n corregir.

Se verifica que 462[kV] est dentro de los posibles valores para una tensin mxima de 123[kV], luego no hay necesidad de corregir el valor del BIL seleccionado.

4.1.3 BIL Para Nivel de Tensin de 34,5 [kV]

Para hallar el BIL para este nivel de tensin se hace el mismo procedimiento pero, mirando nuevamente la Tabla xxx. Niveles de Aislamiento I, pero esta vez para 36,5 [kV].Se escoge un valor para un BIL inicial de 170[kV], y se verifica, con el factor =0,84 si se debe o n corregir.

Como 142[kV] no se encuentra dentro de los valores permitidos para 36[kV], se escoge un valor siguiente para el BIL, que sera de 250[kV].

4.1.4 BIL Para Nivel de Tensin de 13,8 [kV]

Para hallar el BIL para este nivel de tensin se hace el mismo procedimiento pero, mirando nuevamente la Tabla xxx. Niveles de Aislamiento I, pero esta vez para 17,5 [kV].Se escoge un valor para un BIL inicial de 95[kV], y se verifica, con el factor =0,84 si se debe o no corregir.

Se verifica que 79,8[kV] est dentro de los posibles valores para una tensin mxima de 17,5[kV], luego no hay necesidad de corregir el valor del BIL seleccionado.

Tensin nominal[kV]Tensin Mxima para equipo[kV]BIL[kV]

230245850

115123550

34,536250

13,817,595

4.2 Especificacin de las Distancias Dielctricas

Para el clculo de las distancias dielctricas se tuvieron las consideraciones expuestas en el Reglamento Tcnico de Instalaciones Elctricas RETIE (Actualizacin 2008).

En ausencia de harcas, muros o mallas protectoras, la distancia de seguridad entreTierra y la parte energizada ms baja de la subestacin se debe tener en cuenta para la libreCirculacin del personal. Esta distancia corresponde al valor bsico incrementado en 2,25 m(Figura 4.1 b); as, la distancia entre la base de cualquier aislador de poste o buje y tierra noDebe ser menor de 2,25 m. El aislador o buje debe ser considerado como un componenteEnergizado en donde se reduce la tensin gradualmente y slo la parte metlica inferior esta potencial tierra.

Figura 6 Zona de seguridad para circulacin de personal.

Dimensiones medias de un operador

Cuando se efecta un trabajo en una subestacin con presencia de tensin en los conductores y equipos de los circuitos adyacentes, es necesario prever una zona de proteccin la cual se debe detenninar con base en el mismo principio de los casos anteriores. Dicha zona comprende el valor bsico ms un valor que ser determinado para cada equipode acuerdo con el trabajo de mantenimiento, el vehculo y las herramientas que normalmente se utilizan. Nunca debe tener un valor inferior a 3m.La distancia de seguridad se entiende entre la posicin extrema que puede ocupar la conexin del equipo energizado y el borde del equipo sobre el cual se est llevando a cabo el trabajo. Se debe establecer que bajo ninguna circunstancia habr penetracin en la zona del valor bsico.En el caso de mantenimiento de rutina que requiera solamente el uso de herramientas livianas (Figura 4.5), el factor que se le adiciona al valor bsico debe ser: Horizontalmente 1,75 m que corresponde a las dimensiones promedias de un operadorCon los brazos estirados, Figura 4. l c. Verticalmente 1 ,25 m por encima del plano de trabajo que corresponde al operador en laPosicin ilustrada en la

Figura 7 Zonas de Seguridad.

En zonas ocupadas por conexiones o equipo instalado a una altura de piso menor que la definida aqu, el equipo debe estar localizado fuera del alcance del personal por medio de pantallas, mallas, compartimientos o barandas, cuya posicin y altura deben ser determinadas en funcin de las condiciones de movimiento del personal y el tipo de trabajosQue se debe desarrollar, siendo los valores extremos como sigue:

Mtodo 1: Un compartimiento o malla protectora de 2,25 m de altura, separada delConductor o equipo por una distancia igual al valor bsico. Mtodo 2: Una baranda de 1,20 m de altura separada del conductor o equipo por unaDistancia igual al valor bsico ms 0,60 m, como mnimo.

Proteccin para equipos en bajo nivel

4.2.2 Distancias Fase Tierra

Para el clculo de las distancias de seguridad para cada nivel de tensin, se tomar como referencia el valor pico del mismo para conocer los valores estipulados en la tabla. La distancia fase-tierra se hallar de la siguiente manera:

Tabla xxx Distancias de seguridad en el aire, para las figuras 20 y 21 pgina 126 RETIE

4.2.2.1 Distancias Fase Tierra para 230 [kV]

Para el nivel de tensin de 230[kV], se hall un Nivel bsico de aislamiento de 950[kV]. Para este valor se verifica en la anterior tabla

Calculo distancia fase-fase:Para la distancia fase-fase se aumentara en un 1,2 la distancia fase-tierra

Distancias de seguridad

Distancia vertical que se debe respetar en todas las zonas de circulacin.

Zona horizontal circulacin para vehculos:

ZchVh= zona circulacin horizontal vehculo, Phvh= perfil horizontal vehculo.Zona vertical circulacin para vehculos:

ZcvVh= zona circulacin vertical vehculo, PvVh= perfil vertical vehculo.

Distancia mnima para reas de trabajo:

Las distancias mnimas para reas de trabajo no deben ser menores a 3m.

H se elige igual a 3 [m] ya que por norma no debe ser menor a 3 [m].estas distancias son en relacin al figura 3.3.Distancias mnimas de diseo

Altura mnima de equipos sobre el nivel del suelo:Los equipos en un subestacin deben cumplir con una altura mnima a conexin.

Altura mnima de las barras colectoras:La altura de las barras colectoras sobre el nivel del suelo es igual a la suma de la altura de los equipos sobre el nivel del suelo ms la distancia fase- fase ms la flecha mxima si el barraje es flexible.

Altura de remate de las lneas de transmisin que llegan a la subestacin:La altura de remate de las lneas es la suma de las barras colectoras + dff.

Separacin mnima entre fases en los barrajes:De la expresin de Lehmann, Lilien y Orkisz en el libro Mejia y Villegas se dedujo que durante un cortocircuito el rango de movimiento del conductor est dado por YK, el cual est dado en funcin de la flecha mxima esttica Y0

Siendo la separacin entre fases igual a:

En la prctica es comn disear los barrajes con una flecha mxima del 3%, la separacin entre fases se calcula de la siguiente manera.

Para el primer nivel:

Para el segundo nivel:

Nota: Las distancias mnimas de diseo calculadas anteriormente dependen del equipo seleccionado, es posible que aumenten las alturas de equipos, alturas de barrajes y la altura de remates de lneas debido a las dimensiones de los equipos.

4.2.2.2 Distancias Fase Tierra 115 [kV]

Para el nivel de tensin de 115 [KV], se hall un Nivel bsico de aislamiento de 550 [kV]. Para este valor se verifica en la anterior tabla

Calculo distancia fase-fase:Para la distancia fase-fase se aumentara en un 1,6 la distancia fase-tierra

Distancias de seguridad

Distancia vertical que se debe respetar en todas las zonas de circulacin.

Zona horizontal circulacin para vehculos:

ZchVh= zona circulacin horizontal vehculo, Phvh= perfil horizontal vehculo. Zona vertical circulacin para vehculos:

ZcvVh= zona circulacin vertical vehculo, PvVh= perfil vertical vehculo.Distancia mnima para reas de trabajo:

Las distancias mnimas para reas de trabajo no deben ser menores a 3m.

H y D se elige igual a 3 [m] ya que por norma no debe ser menor a 3 [m].estas distancias son en relacin al figura 3.3.Distancias de diseo

Altura de equipos sobre el nivel del suelo:Los equipos en un subestacin deben cumplir con una altura mnima a conexin.

Altura de las barras colectoras:La altura de las barras colectoras sobre el nivel del suelo es igual a la suma de la altura de los equipos sobre el nivel del suelo ms la distancia fase- fase ms la flecha mxima si el barraje es flexible.

Altura de remate de las lneas de transmisin que llegan a la subestacin:La altura de remate de las lneas de transmisin, es la suma de las barras colectoras + dff.

Separacin entre fases en los barrajes:De la expresin de Leman, Lilian y Oris en el libro Meja y Villegas se dedujo que durante un cortocircuito el rango de movimiento del conductor est dado por YK, el cual est dado en funcin de la flecha mxima esttica Y0,

Siendo la separacin entre fases igual a:

En la prctica es comn disear los barrajes con una flecha mxima del 3%, la separacin entre fases se calcula de la siguiente manera.

Para el primer nivel:

Para el segundo nivel:

Nota: Las distancias mnimas de diseo calculadas anteriormente dependen del equipo seleccionado, es posible que aumenten las alturas de equipos, alturas de barrajes y la altura de remates de lneas debido a las dimensiones de los equipos.

4.2.2.3 Distancias Fase Tierra 34,5 [kV]

Para el nivel de tensin de 34,5[kV], se hall un Nivel bsico de aislamiento de 250[kV]. Para este valor se verifica en la anterior tabla

4.2.2.2 Distancias Fase Tierra para 13,8 [kV]

Para el nivel de tensin de 13,8[kV], se hall un Nivel bsico de aislamiento de 95[kV]. Para este valor se verifica en la anterior tabla

4.2.3 Distancias Fase Fase

El clculo de distancias elctricas entre centros de fases en subestaciones elctricas tomado Harper, para alturas menores a 1000 msnm:Pgina 563 Harper

4.2.3.1 Distancias Fase Fase 230 [kV]

Para barras flexibles

Para barras rgidas

4.2.3.2 Distancias Fase Fase 115 [kV]

Para barras flexibles

Para barras rgidas

4.2.3.3 Distancias Fase Fase 34,5 [kV]

Para barras flexibles

Para barras rgidas

4.2.3.4 Distancias Fase Fase 13,8 [kV]

Para barras flexibles

Para barras rgidas

ALTURA DE BAHA

La altura de los prticos de baha est determinada principalmente por el tipo de conductor que se utiliza, as como tambin por el nmero de niveles de conexin que requiere la configuracin de cada una de las subestaciones.Para las subestaciones existentes, se conservarn las alturas que se tienen actualmente.En los diseos detallados de disposicin fsica se verificarn estos valores.

PRIMER NIVEL DE CONEXINEl primer nivel de conexin es el correspondiente al nivel de conexin entre equipos, determinado por la distancia de seguridad bsica.En la siguiente tabla se ilustra el primer nivel de conexin y en la siguiente tabla se indican los resultados obtenidos.kVD. basica

1 NIVEL1153.5

2304.12

SEGUNDO NIVEL DE CONEXINEl segundo nivel de conexin (SNC), es el correspondiente al nivel de los barrajes y estDado por:SNC = a + dff + c + d Donde:A: flecha mxima del vano de las barras (3% para 230/220 kV y 2,5 % para 115 kV, de laLongitud total del vano)dff: distancia mnima fase-faseC: 1250 mm D: primer nivel de conexinEn las Figuras 12a y 12 b se ilustra el segundo nivel de conexin y en la siguiente tabla se indican los resultados obtenidos. Es de anotar que para el diseo se tienen en cuenta los cruces de barras en cada una de las subestaciones.kVadftcdaltura

2 NIVEL1150.2002.181.2503.57.13

2300.2503.31.2504.79.5

TERCER NIVEL DE CONEXINEl tercer nivel de conexin (TNC), es el correspondiente al nivel de las templas superioresY est dado por:TNC = SNC + dff + eDnde:SNC: segundo nivel de conexin (Ver tabla 5, valor de diseo)dff: distancia mnima fase-fasee: flecha mxima del vano de las templas (3% para 230 KV y 2,5 % para 115 KV, de la longitud total del vano)En las Figuras 12a y 12 b se ilustra el tercer nivel de conexin y en la Tabla 5 se indican los resultados obtenidos. Es de anotar que para el diseo se tiene en cuenta los cruces de templas en cada una de las subestaciones y que el tercer nivel de conexin indicado aplica para la zona sobre las barras, en otras zonas, el valor indicado puede ser reducido ya que al no tener el segundo nivel de conexin no se presentan problemas de distancias de seguridad.kVSNSdftealtura

3 NIVEL1157.132.180.2899.61

2309.53.30.38613.2

Figura 8.3.3. Altura de la baha.

1.1.1. LONGITUD DE BAHALa longitud de baha est determinada por las dimensiones de los equipos, las distancias requeridas entre equipos para labores de instalacin, operacin y mantenimiento, vas para circulacin de vehculos y distancia fase-tierra entre terminales de equipos y chasis del equipo adyacente, en algunos casos. La longitud de baha ser determinada en los diseos detallados de disposicin fsica.

Baha 230 kVLnea: 50 mTransformador: 54 m

Baha 115 kVLnea: 37mTransformador: 45 m

CARGAS DINMICAS Y ESTTICAS

Se deben tener en cuenta los valores mximos de corrientes por las barras, que se presentan cuando ocurre un corto circuito trifsico en cada una de las barras, escogemos el valor de la corriente nominal del conductor:

Corrientes de falla (Trifsica)

BARRACORRIENTE [KA]

11522,3

23018,8

A continuacin se presentar el clculo tipo para la barra de 230 KV. Inicialmente se calcular la fuerza debido al corto circuito trifsico a travs de la siguiente ecuacin donde corresponde a la fuerza debido a la corriente por unidad de longitud y corresponde a la distancia entre fases en metros:

Seguido, se calcula la fuerza debido a la velocidad mxima registrada del viento. Para la ciudad de bucaramanga, lugar donde se construir la subestacin, la mxima velocidad registrada del viento fue de 13 [km/h]. En la siguiente ecuacin corresponde al dimetro nominal del cable [m] y corresponde a la velocidad del viento [km/h]:

Para calcular las fuerza mximas, se supondr que suceden los casos extremos, es decir, que se presente el mximo viento y el esfuerzo de corto circuito. Se calcular la fuerza total, compuesta por el esfuerzo horizontal de la corriente mxima y el esfuerzo por la velocidad del viento en cuadratura con el peso del conductor:

Se calcular la carga mxima teniendo en cuenta la carga de ruptura del conductor y un factor de seguridad mximo de 4:

De la ecuacin de la flecha y del criterio de diseo se obtiene

A continuacin, se presenta una tabla resumen con los valores calculados para las barras de la subestacin:Barra DobleNombre ConductorPeso [kg/m]Carga de ruptura [Kg]fuerza total [kg/m]F. de seguridadTmax [kg]longitud [m]

115Falcon3,041825446,43,408946361,6100

230Falcon3,041825446,43.102346361,6110

Barra SencillaNombre ConductorPeso [kg/m]Carga de ruptura [Kg]fuerza total [kg/m]F. de seguridadTmax [kg]longitud [m]

115Dipper2,3465616420,02,34654410593

230Drake1,62814174,71,738443543,5108

ESPECIFICACION DE LOS EQUIPOSTRANSFORMADORES DE POTENCIASiendo este uno de los equipos ms importantes en la subestacin, es de esperarse que las especificaciones a la hora de seleccionarlo estn acordes con los requerimientos de potencia y seguridad de la subestacin. A continuacin se describe cada uno de los transformadores para los diferentes niveles de tensin y potencia.

Tensin nominal(KV)BarraNombreTransformador

230-115xxxxTR1 (AT)

115-34,5xxxxTR2 (AT)

34,5-13,8xxxxTR3 (AT)

Tabla X: Transformadores

La relacin de transformacin de cada uno de los transformadores se determina de la siguiente forma:

Dnde: : Tensin secundaria en vaco : Tensin de diseo

Transformador de 230/115 KV

Transformador de potencia de 230/ 125kV 2*2,5% bancada monofsica

CANTIDAD4 (1 DE RESERVA)

POTENCIA180 MVA

CONEXINY - Y Puestos a tierra

REFRIGERACINOFAF (Sumergido en aceite con circulacin forzada en aceite y aire)

TAPSAutomtico 2*2,5 %

FRECUENCIA60 HZ

Tabla xx: Especificaciones del transformador de potencia 230/125 kV

Transformador de 115/34,5 KV

Transformador de potencia de 115 / 34,5 kV 2*2,5% bancada monofsica

CANTIDAD4

POTENCIA40 MVA

CONEXINY - Y Puestos a tierra

REFRIGERACINOFAF (Sumergido en aceite con circulacin forzada en aceite y aire)

TAPSAutomtico 2*2,5 %

FRECUENCIA60 HZ

Tabla xx: Especificaciones del transformador de potencia 115/34,5 kV

Transformador de 34,5/13,8 KV

Transformador de potencia de 34,5 / 13,2 kV 2*2,5% bancada monofsica

CANTIDAD1

POTENCIA20 MVA

CONEXINY - Y Puestos a tierra

REFRIGERACINOFAF (sumergido en aceite con circulacin forzada en aceite y aire)

TAPSAutomtico 2*2,5 %

FRECUENCIA60 HZ

Tabla xx: Especificaciones del transformador de potencia 34,5/13,2 kV

TRANSFORMADORES DE POTENCIAL PTs

Son aparatos en los cuales la tensin secundaria, dentro de las condiciones normales de operacin, es prcticamente proporcional a la tensin primaria, aunque ligeramente desfasada. Desarrollan dos funciones: transformar la tensin y aislar los instrumentos de proteccin y medicin conectados a los circuitos de alta tensin.

Para la seleccin de los transformadores de potencial en cada barra de la subestacin, con tensin nominal menor a 230 kV se toma como base las tensiones nominales para las cuales estn diseadas las barras.

La tensin nominal primaria es:

La tensin nominal secundaria para transformadores conectados a tensiones mayores a 25 kV es:

Y para valores menores a 25 kV es:

Teniendo en cuenta los valores de consumo de potencia ms comunes de los aparatos conectados a estos transformadores. Con una carga conectada de 75 VA y teniendo en cuenta la siguiente tabla que muestra las cargas nominales para los transformadores de potencial segn norma ANSI C.57.13, se transformadores de potencial de designacin Y con potencia nominal de 75 VA y f.p.= 0.85, en la tabla se muestran las dems especificacin para la designacin escogida.

Tabla xx: Cargas normales para transformadores de potencial

Para escoger la clase de precisin, se toma un valor de 1.2 para aparatos de medicin (alimentacin a las bobinas de potencial de los aparatos de medicin, indicadores o registradores) segn la ANSI.

Tabla 26: Clases del transformador de potencial

Luego en la siguiente tabla se dar a conocer la especificacin de los transformadores de potencial teniendo en cuenta el anterior criterio mencionado para las tensiones menores y mayores a 25 kV, ademas de tener en cuenta una carga de 75 VA conectada:

Tensin del transformador [kV]Vp nomVs nomSnom [VA]PrecisinNomenclatura ANSI

13.8/1207.96769.282751.21.2 Y

34.5/11519.91866.395751.21.2 Y

115/11566.39566.395751.21.2 Y

220/115127,01766.395751.21.2 Y

Tabla xx: Especificaciones del transformador de potencial

Ncleos: El nmero de estos, depender de los requerimientos establecidos para control y proteccin de la subestacin; cada ncleo debe llevar su especificacin de carga y precisin.

Clase de precisin: Segn la ANSI, se toma un valor de 1.2 la cual corresponde a aparatos de medicin.Potencia Nominal: Es la potencia aparente que suministra el transformador en el secundario, expresada en [VA], que se desarrolla bajo la tensin nominal, de conformidad con los requerimientos de la clase de exactitud y que se indica en la placa de caractersticas del transformador.Teniendo en cuenta los valores de consumo de potencia ms comunes de los aparatos conectados a estos transformadores, se selecciona una potencia nominal de 75 [VA] que de acuerdo con la tabla de cargas nominales para transformadores de potencia segn la norma ANSI corresponde a transformadores de potencial de designacin Y con factor de potencia 0.85.

Los equipos seleccionados se tomaron de los Transformadores de potencial propuestos por la marca ABB.

Tabla xx: Seleccin del transformador de potencia de 115 y 230 KV

Tabla xx: Dimensiones del transformador de potencia de 115 y 230 KVTransformadores de Potencial marca ABB

Tensin [KV]V. max.ReferenciaABCDEF

34,537EMF 721464630114335*335540324

13,815EMF 521464630114335*335540324

Tabla 32: Transformador de potencial para 34,5 y 13,8 kv

TRANSFORMADORES DE CORRIENTE CTsPara la especificacin de los transformadores tanto de proteccin como de medida se tendr en cuenta lo siguiente: El nivel de aislamiento debe ser cuando menos igual a la tensin ms elevada del sistema que va a estar conectado.

Las corrientes primarias en A normalizadas son: 300, 400, 600, 800, 1 200, 1 500, 2000 y 4 000. Y la corriente secundaria de 5A.

Debe soportar hasta un 1,2 *IN sin exceder la temperatura especificada.

Corriente de lmite trmico: para un tiempo de 1seg.

Corriente de lmite dinmico: .

La clase de precisin para ncleos de medicin se corresponde a la norma IEC: 0,2; 0,5; o 1,0 segn la aplicacin. Para ncleos de proteccin la clase suele ser 5P 10P.

El anlisis de flujo de potencia arrojo los siguientes datos de tensiones y corrientes para la demanda alta La designacin del Burden para proteccin es B-1, con una impedancia de 1 y un factor de FP=0,5.

La designacin del Burden para medicin es B-0.1 con una impedancia de 0, 1 y FP=0,9.

Los transformadores de corriente se especifican segn su funcin en: CTs de Proteccin: Se encargan de transformar la corriente y aislar los instrumentos de proteccin conectados a los circuitos de alta tensin (aseguran una seal fiel en condiciones de falla).Cada uno de los CTs de proteccin que se instalarn en los tramos de llegada de las lneas que estn conectadas a las barras de la subestacin.Tabla xx: Cargabilidad para proteccin

CTs de Medicin: Transforman la corriente y aslan los instrumentos de medicin conectados a los circuitos de alta tensin (asegura una seal fiel en condiciones normales de operacin).

Tabla xx: Cargabilidad para medicin

Tabla xx: Seleccin del transformador de corriente

Tabla xx: Dimensiones del transformador de corriente7.6 SELECCIN DEL SECCIONADOR La misin del seccionador es aislar tramos de circuito, de una forma visible, cuando las circunstancias de la instalacin as lo requieran. Los circuitos que deba interrumpir el seccionador deben hallarse libres de corriente, o lo que es lo mismo, el seccionador debe maniobrar en vaco. No obstante, deben ser capaces de soportar corrientes nominales, sobre intensidades y corrientes de cortocircuito durante un tiempo especificado. Estos aparatos van a asegurar que los tramos de circuito aislados se hallen libres de tensin para que se puedan tocar sin peligro por parte del operario en trabajos de inspeccin, mantenimiento o sustitucin. Aunque los seccionadores han de maniobrarse normalmente sin carga, en determinadas circunstancias pueden conectarse y desconectarse con pequeas cargas. En este proyecto se van a utilizar dos tipos de seccionadores: Seccionadores de tierra: Poner a tierra componentes del sistema en mantenimiento, principalmente lneas de transmisin. Seccionadores de maniobra: Hacer by-pass o paso directo a equipos como interruptores y capacitores en serie para la ejecucin de mantenimiento o por necesidades operativas.

El mecanismo de accionamiento, tanto del seccionador principal como del de tierra (cuando sea aplicable), debe ser diseado de tal modo que asegure la operacin simultnea de los polos. Este mecanismo debe ser suministrado completo, con todos sus acoplamientos, engranajes, barras de accionamiento, etc., de modo que los seccionadores puedan ser operados cmodamente desde el piso. Para la correcta aplicacin de los seccionadores se deben seguir, siempre que sea posible, las recomendaciones de las normas tcnicas referentes a estos equipos. Cabe anotar que la correcta seleccin de los seccionadores est ligada a la seleccin de la disposicin fsica de la subestacin.La seleccin del seccionador se realiza de acuerdo a los catlogos suministrados por la empresa MESA.

7.6 Seccionador para 230 [kV]

Forma de operacin: Seccionador de rotacin central.

MECANISMO DE OPERACIN Se elige un mecanismo de operacin por medio de un motor de corriente continua de 125 Vcc.

Figura xx. Dimensiones mecanismo de operacin7.6 Seccionador para 115[kV]

7.6 Seccionador para 34.5 y 13.8 [kV]

7. Especificacin de los DPSs

Los Dispositivos de Proteccin contra Sobretensiones (DPSs) son los encargados de realizar la descarga de las sobretensiones producidas por eventos atmosfricos y por maniobras, entre otras cosas, evitando as que se descarguen por los aisladores provocndole perforaciones y causando posibles interrupciones del suministro y daos a generadores, transformadores, etc. La seleccin de un pararrayos debe hacerse de acuerdo con el criterio de proteccin establecido para una instalacin en funcin de la coordinacin de aislamientos. Se deben tener dos caractersticas importantes a la hora de escogerlos: Tensin nominalSe define como la tensin mxima continua a valor eficaz y a frecuencia industrial (60Hz), que soporta un pararrayos entre sus terminales permanentemente, sin que haya un aumento tanto en las prdidas como en temperatura del dispositivo. Corriente nominal de descargaCorriente que fluye a travs del pararrayos en el momento de presentarse la sobretensin.

A continuacin se indicara la metodologa de clculo para la tensin de 230[KV]. Los DPS fueron seleccionados del catlogo. De los cuales segn su MCOV se escoge una determinada referencia, que luego con el clculo de los mrgenes de proteccin se verifica su utilizacin.8. Especificacin de los disyuntores de potenciaDisyuntores

Los interruptores automticos son dispositivos mecnicos de interrupcin capaces de conducir, interrumpir y establecer corrientes en condiciones normales, as como de conducir durante un tiempo especificado, interrumpir y establecer corrientes en condiciones anormales, como son las de cortocircuito. Su funcin bsica es conectar o desconectar de un sistema o circuito energizado lneas de transmisin, transformadores, reactores o barrajes. Los interruptores deben ser capaces de cortar la intensidad mxima de corriente de cortocircuito susceptible de originarse. Por lo tanto, su eleccin depende principalmenteDe la corriente de cortocircuito en el punto de la instalacin que se desea proteger y no de la corriente que el aparato debe soportar en rgimen normal.

Para definir ms concretamente la eleccin de un interruptor, una vez determinado su poder de corte, se debe tener en cuenta otro parmetro, como es la duracin de su funcionamiento. En efecto, al producirse un cortocircuito, las instalaciones, adems de verse sometidas a los esfuerzos electrodinmicos, tambin se ven sometidas a los esfuerzos trmicos, tanto ms importantes cuanto mayor sea la duracin de la extincin del arco. Tambin es importante tener en cuenta el mecanismo de operacin del interruptor. El mecanismo de operacin es el dispositivo que, por medio de energa almacenada acciona el interruptor ya sea para abrirlo o cerrarlo. La energa que almacena el mecanismo de operacin debe der suficiente para efectuar las secuencias de operacin requeridas por el sistema. Cabe anotar que el 90% de las fallas de los interruptores son atribuibles a fallas mecnicas originadas en el mecanismo de operacin. Para la subestacin que estamos diseando se va a utilizar el mecanismo de resortes de cierre recargados mediante motor.

Interruptor de potencia patio 230 [kV]

Para el clculo del interruptor de potencia se sigui el siguiente procedimiento:Calculo

Corriente de cortocircuito (Icc): se seleccion de acuerdo a los criterios de construccin de la UPME que establece el siguiente valor para el diseo de subestaciones con nivel de tensin de 230 KV. Para falla trifsica se tiene:

Tensin mxima del sistema (tensin nominal) (Vm): Este valor segn la norma IEC 60038 de 2002, para un sistema de 230kV su tensin mximo de sistema es 245 kV, valor tomado de la tabla 1.2 de libro subestaciones de Alta y extra alta tensin Meja y Villegas segunda edicin.

Corriente normal nominal (In): Para la corriente de operacin se selecciona la corriente mxima de carga de la lnea con mayor capacidad y de acuerdo con las norma IEC 60059-1999 se normaliza a un valor superior inmediato. Para la seleccin del equipo se debe elegir el valor normalizado igual o superior que ofrece el fabricante.

Valor normalizado:

Frecuencia nominal: La frecuencia de operacin del sistema colombiana es:

Nivel bsico de aislamiento (BIL): de acuerdo a los clculos realizados de la coordinacin del aislamiento se tiene para el nivel de tensin de 230 [kV] el siguiente valor:

Corriente admisible de corta duracin (Iadcd): para un tiempo de 1 [s], esta corriente se igual que la corriente nominal de cortocircuito.

Corriente nominal de cresta admisible (Inca): Segn la bibliografa de Meja y Villegas como esta es una aplicacin convencional no especial la constante de tiempo se elige de por tanto para una frecuencia de 60 Hz se tiene:

Corriente nominal de corte en cortocircuito (Ipa): el interruptor debe estar en la capacidad de interrumpir la corriente de cortocircuito, por tanto el poder de corte de interruptor teniendo en cuenta lo valores norma en la norma IEC 62271-100 y suponiendo que la componente de corriente continua es inferior al 20% y debido a que no es posible conoce este valor de componente se elige el siguiente valor normalizado:

Corriente nominal de cierre en cortocircuito: segn la IEC 62271-100 para una frecuencia 60 Hz y para una constante de tiempo equivale a:

Sistema de puesta a tierra: como es un sistema de alta tensin debe tener una red efectivamente conectada a tierra, para este caso debido a que los transformadores son conexin y , se tiene una red con neutro conectado a tierra. Factor de primer polo (Kpp): de pende del sistema de puesta a tierra, para el caso de falla trifsica con neutro conectado a tierra se tiene el siguiente factor:

Este valor fue tomado de acuerdo a las definiciones dadas en el catlogo gua del usuario de ABB y la recomendacin hecha en el libro Meja y Villegas. Factor de amplitud (Kaf): si la corriente de cortocircuito es del 100% se toma el siguiente valor:

Tensin nominal transitoria de restablecimiento (Uc): segn la IEC 62271-100 se calcula de la con la siguiente ecuacin:

Distancia de fuga: la distancia de fuga se calcula con relacin al nivel de contaminacin y tensin del sistema, la cual se presenta a continuacin.

Secuencia de operacin nominal: segn la publicacin IEC 62271-100 se seleccion para el disyuntor subestacin:O-t-CO-t-COt=0.3 s para interruptores destinados a recierre rpidot=3 min para interruptores no destinados a recierre rpidot=3 min Tipo Operacin:para el diseo de esta subestacin para el nivel de tensin de 230 kV, para estabilidad del sistema se implementaran operacin monopolar.

Tensin de control:el nivel de tensin se seleccion en corriente continua para dar mayor confiabilidad a la subestacin. El nivel seleccionado de acuerdo con la IEC 60694-2002 es:

Mecanismo de disparo:se utilizara como mecanismo de disparo resorte.

Tensin de calentamiento/ Tensin auxiliar CA: se utilizara alimentacin monofsica (fase-neutro) proveniente de un transformador trifsico (alimentacin principal servicios auxiliares) el cual la tensin de fase es:

Motor de carga de resorte: tendr el mismo nivel de tensin de alimentacin que el valor de la tensin de control.

Carga ssmica: Bucaramanga es una zona de alta probabilidad de terremotos por tanto se debe elegir un equipo que soporte 0.5 g segn valor normalizado IEC.

Clase de resistencia mecnica: se utilizaran interruptores clase M1, ya que no se considera que para esta subestacin sea una aplicacin especial.

De acuerdo con las anteriores caractersticas definidas, los el equipo seleccionado debe tener caractersticas iguales o mayores a las descritas anteriormente. El disyuntor seleccionado para el nivel de tensin de 230 kV se presenta a continuacin. Para el patio de 230 KV se seleccion un disyuntor tipo HPLB

Interruptor de potencia patio 115 [KV]

Para el clculo del interruptor de potencia se sigui el siguiente procedimiento:Calculo

Corriente de cortocircuito (Icc): se seleccion de acuerdo a los valores reportados por ESSA que establece el siguiente valor para el diseo de subestaciones con nivel de tensin de 115 KV. Para falla monofsica se tiene:

El valor de corriente se debe normalizar de acuerdo con la norma IEC 60059-1999:

Tensin mxima del sistema (tensin nominal) (Vm): Este valor segn la norma IEC 60038 de 2002, para un sistema de 115 kV su tensin mximo de sistema es 145 kV, valor tomado de la tabla 1.2 de libro subestaciones de Alta y extra alta tensin Meja y Villegas segunda edicin.

Corriente normal nominal (In): Para la corriente de operacin se selecciona la corriente mxima de carga de la lnea con mayor capacidad y de acuerdo con las norma IEC 60059-1999 se normaliza a un valor superior inmediato. Para la seleccin del equipo se debe elegir el valor normalizado igual o superior que ofrece el fabricante.

Valor normalizado:

Frecuencia nominal: La frecuencia de operacin del sistema colombiana es:

Nivel bsico de aislamiento (BIL): de acuerdo a los clculos realizados de la coordinacin del aislamiento se tiene para el nivel de tensin de115 [kV] el siguiente valor:

Corriente admisible de corta duracin (Iadcd): para un tiempo de 1 [s], esta corriente se igual que la corriente nominal de cortocircuito.

Corriente nominal de cresta admisible (Inca): Segn la bibliografa de Meja y Villegas como esta es una aplicacin convencional no especial la constante de tiempo se elige de por tanto para una frecuencia de 60 Hz se tiene:

Corriente nominal de corte en cortocircuito (Ipa): el interruptor debe estar en la capacidad de interrumpir la corriente de cortocircuito, por tanto el poder de corte de interruptor teniendo en cuenta lo valores norma en la norma IEC 62271-100 y suponiendo que la componente de corriente continua es inferior al 20% y debido a que no es posible conoce este valor de componente se elige el siguiente valor normalizado:

Corriente nominal de cierre en cortocircuito: segn la IEC 62271-100 para una frecuencia 60 Hz y para una constante de tiempo equivale a:

Sistema de puesta a tierra: como es un sistema de alta tensin debe tener una red efectivamente conectada a tierra, para este caso debido a que los transformadores son conexin y , se tiene una red con neutro conectado a tierra.

Factor de primer polo (Kpp): de pende del sistema de puesta a tierra, para el caso de falla trifsica con neutro conectado a tierra se tiene el siguiente factor:

Este valor fue tomado de acuerdo a las definiciones dadas en el catlogo gua del usuario de ABB y la recomendacin hecha en el libro Meja y Villegas. Factor de amplitud (Kaf): si la corriente de cortocircuito es del 100% se toma el siguiente valor:

Tensin nominal transitoria de restablecimiento (Uc): segn la IEC 62271-100 se calcula de la con la siguiente ecuacin:

Distancia de fuga: la distancia de fuga se calcula con relacin al nivel de contaminacin y tensin del sistema, la cual se presenta a continuacin.

Secuencia de operacin nominal: segn la publicacin IEC 62271-100 se seleccion para el disyuntor subestacin:O-t-CO-t-COt=0.3 s para interruptores destinados a re cierre rpidot=3 min para interruptores no destinados a recierre rpidot=3 min Tipo Operacin: para el diseo de esta subestacin para el nivel de tensin de 115 KV, se considera que no tiene demasiada incidencia sobre la estabilidad del sistema y se implementaran disyuntores de operacin monopolar.

Tensin de control: el nivel de tensin se seleccion en corriente continua para dar mayor confiabilidad a la subestacin. El nivel seleccionado de acuerdo con la IEC 60694-2002 es:

Mecanismo de disparo: se utilizara como mecanismo de disparo de resorte.

Tensin de calentamiento/ Tensin auxiliar CA: se utilizara alimentacin monofsica (fase-neutro) proveniente de un transformador trifsico (alimentacin principal servicios auxiliares) el cual la tensin de fase es:

Motor de carga de resorte: tendr el mismo nivel de tensin de alimentacin que el valor de la tensin de control.

Carga ssmica: Bucaramanga es una zona de alta probabilidad de terremotos por tanto se debe elegir un equipo que soporte 0.5 g segn valor normalizado IEC.

Clase de resistencia mecnica: se utilizaran interruptores clase M1, ya que no se considera que para esta subestacin sea una aplicacin especial.

De acuerdo con las anteriores caractersticas definidas, los el equipo seleccionado debe tener caractersticas iguales o mayores a las descritas anteriormente. El disyuntor seleccionado para el nivel de tensin de 115 kV se presenta a continuacin.

Tensin nominal [KV]115

Frecuencia nominal [Hz]60

Tensin mxima del equipo [Kv]145

Corriente nominal 3000

Corriente de corto circuito [KA]40

Medio de interrupcin Sf6 Auto-puffer

Mecanismo de operacin Operacin a resorte con motor (CC)

Tiempo de apertura [ms]22

Rigidez ssmica [g]0,3

Diseo externoTanque vivo

Tipo de funcionamiento Monopolar

Marca ABB

Referencia LTB D1/B

Clculos para pararrayos de 230 [kV]7.1.1 Tensin nominal pararrayos de230 [kV]

Donde es el coeficiente de puesta a tierra del sistema y depende de si el sistema esta aterrizado o n, ya que esta condicin de conexin del neutro, hace que cambien los valores de tensin nominal de los aparatos de proteccin de sobretensiones. = 0.72 si el neutro esta slidamente conectado a tierra.=1 si el sistema tiene neutro flotante.

Por lo anterior, y atendiendo a las estadsticas para un clculo final de tensin nominal del pararrayos, se puede tener un margen de seguridad de 10% para tensiones menores a 100 [kV] y 5% para tensiones mayores a 100 [kV]

Para seleccionar la tensin nominal de los pararrayos, uno de los puntos a considerar son las sobretensiones. Sobretensiones debidas a descargas atmosfricas. (Frente rpido, 8/20s) Sobretensiones debidas a maniobras de interruptores. (Frente lento, 30/60s).Tabla catalogo ABB. Pararrayo de para 230 [kV]

Dimensiones Pararrayo para 230[kV]Tabla catalogo ABB. Pararrayo de para 230 [kV]

7.1.2 Verificacin margen de proteccin pararrayos de230[kV]Los pararrayos proporcionan un margen de proteccin determinado al equipo por proteger frente a sobretensiones de maniobra y sobretensiones atmosfricas, luego se deben verificar si los mrgenes de proteccin para sobretensiones estn correctos.En caso de que no se cumpla algn margen de proteccin, significa que se debe corregir el BIL, pues el pararrayos seleccionado no garantiza una buena proteccin frente a tensiones de aislamiento.Para el equipo que trabaja a tensiones inferiores a 230 kV, las sobretensiones que lo afectan ms son las provocadas por las descargas externas, que tienen una duracin del orden de decenas de microsegundos, caso contrario para el equipo que trabaja a tensiones superiores a 230 k V, en donde las sobretensiones ms peligrosas son las ocasionadas por maniobras de interruptores, que tienen una duracin del orden de miles de microsegundos y su magnitud es una funcin de la tensin nominal.Este margen debe estar por encima del 25% para que tenga un buen nivel de proteccin del aislamiento de los equipos.

BIL= 850 [kV]= tensin mxima a frente de onda 8/20s (CATALOGO)

El margen de proteccin supera el 25% luego el pararrayos seleccionado, cumple con los mrgenes de proteccin mnimos.7.1.3 Localizacin del pararrayos de 230 [KV]La localizacin del pararrayos es de suma importancia, ya que dependiendo de eso se lograr una buena o mala proteccin. Se deben instalar tan cerca como sea posible del equipo por proteger. La proteccin es mxima enel lugar de la instalacin y va disminuyendo en forma gradual a medida que se aleja del pararrayos hacia ambos lados de tal manera que existe una zona llamada zona de proteccin, para la cual distancias por fuera de ella ya no entran en la zona de proteccin del pararrayos

Por ejemplo en los transformadores, debido a que stos tienen una zona de proteccin reducida o se encuentran alejados de las bahas de lnea, los pararrayos se pueden montar en una cruceta sobre el transformador o muy cerca de l.

Figura. Ubicacin recomendada del pararrayos.Para hallar la distancia masxima a la que se debe ubicar l pararrayos, se debe usar la siguiente ecuacin:

e=v*t t=e/v e= distancia del pararrayos al objeto v= velocidad de la luz = 300m/s = tensin mxima de descarga (catalogo), para nuestro caso 451[kV] = tensin mxima en el equipo a proteger. se puede asumir como el 80% del BIL. Para este caso el BIL es de 850 [kV] S=pendiente del frente de onda en [kV/seg] alcanza un valor de 100 [kV/seg] por cada 12 [kV] de la tensin nominal del pararrayos. Para nuestro caso S=(192/12)*100=1600

21.46mPor lo tanto, el pararrayos se debe colocar MXIMO a 21.46m de distancia del sistema a proteger.7.1 Clculos para pararrayos de 115 [KV]7.2.1 Tensin nominal para 115 [KV]Los clculos para seleccionar el pararrayos del nIvel de tensin 115 [kV] se hacen siguiendo el mismo procedimiento que para 230[kV], luego solo se presentaran los resultados y la tabla donde se muestre el aparato seleccionado.

7.2.2 Verificacin margen de proteccin pararrayos de 115 [KV]Este margen debe estar por encima del 25% para que tenga un buen nivel de proteccin del aislamiento de los equipos.

BIL= 550 [kV]= tensin mxima a frente de onda 8/20s (CATALOGO)

El margen de proteccin supera el 25% luego el pararrayos seleccionado, cumple con los mrgenes de proteccin mnimos.7.2.3 Localizacin del pararrayos de 115 [KV]

40.12mPor lo tanto, el pararrayos se debe colocar MXIMO a 40.12m de distancia del sistema a proteger.7.2 Clculos para pararrayos de 34.5 [KV]7.3.1 Tensin nominal para 34.5 [KV]Los clculos para seleccionar el pararrayos del nIvel de tensin 34.5 [kV] se hacen siguiendo el mismo procedimiento que para 230[kV], luego solo se presentaran los resultados y la tabla donde se muestre el aparato seleccionado.

7.1.2 Verificacin margen de proteccin pararrayos de 34.5 [KV]Este margen debe estar por encima del 25% para que tenga un buen nivel de proteccin del aislamiento de los equipos.

BIL= 250[kV]= tensin mxima a frente de onda 8/20s (CATALOGO)

El margen de proteccin supera el 25% luego el pararrayos seleccionado, cumple con los mrgenes de proteccin mnimos.7.1.4 Localizacin del pararrayos de 34.5 [KV]

73.38mPor lo tanto, el pararrayos se debe colocar MXIMO a 73.38m de distancia del sistema a proteger.7.3 Clculos para pararrayos de 13.8 [KV]7.4.1 Tensin nominal para 13.8 [KV]Los clculos para seleccionar el pararrayos del nivel de tensin 13.8 [KV] se hacen siguiendo el mismo procedimiento que para 230 [KV], luego solo se presentaran los resultados y la tabla donde se muestre el aparato seleccionado.

7.4.2 Verificacin margen de proteccin pararrayos de 13.8 [KV]Este margen debe estar por encima del 25% para que tenga un buen nivel de proteccin del aislamiento de los equipos.

BIL= 95[kV]= tensin mxima a frente de onda 8/20s (CATALOGO)

El margen de proteccin supera el 25% luego el pararrayos seleccionado, cumple con los mrgenes de proteccin mnimos.7.1.4 Localizacin del pararrayos de 13.8 [KV]

29.3mPor lo tanto, el pararrayos se debe colocar MXIMO a 29.3m de distancia del sistema a proteger.

7.4 Corriente de descarga pararrayos Las estadsticas indican que del 1 al 4% de las descargas atmosfricas son superiores a 10 [kA] y el 95% son inferiores a 10 [kA] en lneas de alta tensin, se puede considerar que para definir la capacidad de corriente de un pararrayos que se va a fijar en una instalacin, hay que tomar en cuenta el costo del equipo por proteger y la frecuencia de las tormentas, factores que permiten juzgar si se utilizan o no pararrayos de gran capacidad de descarga. La corriente de descarga se suele escoger teniendo en cuenta tablas ya establecidas por la IEEE o la NTC.

Segn lo anterior, para todos los niveles de tensin se van a seleccionar pararrayos de 10[KA].1 CALCULO DE LA MALLA A TIERRA

1.1 Generalidades y definiciones

Malla de tierraEs una red de conexin a tierra que suministra la adecuada proteccin al personal y al equipo que, dentro o fuera de la subestacin, puedan quedar expuestos a tensiones peligrosas cuando se presentan fallas a tierra en la instalacin. La malla a tierra las tensiones dependen bsicamente de dos factores: la corriente de falla a tierra y la resistencia de la puesta a tierra de la malla. El primero de ellos depende del sistema de potencia al cual se conecte la subestacin y el segundo de factores como: la resistividad del suelo, el calibre de los conductores, su separacin, profundidad de enterramiento y la resistividad de la capa de triturado. Corriente de tierra: una corriente circulando hacia o desde la tierra o su cuerpo equivalente que le sirve de tierra.

Electrodo de tierra: conductor embebido en la tierra y utilizado para recolectar las corrientes de tierra o disipar corrientes hacia la tierra.

Elevacin del potencia de la tierra (GPR): es la mxima tensin que la malla de tierra de una instalacin puede alcanzar relativa a un punto de tierra distante que se supone que esta al potencia de tierra remoto.

Tensin de lazo o de retcula: la mxima tensin de toque encontrada dentro de un lazo o retcula de una malla de puesta a tierra (ver figura 7-1).

Tensin de choque: comprende las tensiones de toque y paso. (ver figura 7-1).

Tensin de toque: La diferencia de tensin entre el GPR la tensin en la superficie en el punto en donde una persona se para, mientras al mismo tiempo tiene sus manos en contacto con una estructura puesta a tierra.

Tensin de paso: la diferencia de tensin en la superficie, experimentada por una persona con los pies separados una distancia de un metro, y sin estar en contacto con ningn objeto aterrizado.( ver figura 7-1)

1.2 Calculo

Datos de campo. El rea total del lote de la subestacin tiene las siguientes dimensiones:Colocar dibujo esquema de la subestacin con la ubicacin los patios y sus dimensiones El terreno es arcilloso, su resistividad es 300 [/m], se utilizara una capa de triturado de una resistividad de 3000 [/m], y un espesor de 15 [cm].Se utilizara una sola malla para la subestacin y se comprobara que se cumple tensiones de paso y de toque para cada uno de los niveles de tensin con su respectiva corriente de cortocircuito.

1.2.1 Verificacin en la tensin de 230 [KV]

Evaluacin del calibre del conductor.Para la evaluacin del calibre del conducto se utiliza la frmula de Sverak que se presenta a continuacin:

Dnde: I: corriente eficaz en kAAc: rea del conductor en mm2Tm: temperatura mxima permitida en CTr: temperatura de referencia para el material en C: Coeficiente trmico de resistividad a la temperatura T0, 1/CK0: 1/-Ta CTCAP: factor de capacidad trmica J/cm3CDe acuerdo al material del conductor que se utilizara se seleccionan los datos anteriores de la tabla 7-1.

Tabla 71Se utilizara como material del conductor cobre recocido y se obtuvo que la siguiente seccin trasversal del conductor.

Se selecciona un conductor 4/0 de rea 107 mm2. Clculo del factor de reflexin

; K= -0,765 Calculo de las tensiones mximas permitidas ( paso y toque):

Calculo del factor de reduccin el cual depende del espesor de la capa de cascajo

Para 50 kg

Para 70 Kg:

Diseo preliminarEspaciamiento entre conductores D=5 mrea de la malla (192m x 112m) A=21504 m2Nmero de Varillas: 500 varillas de 3 m de longitudLongitud total del conductor Lc= 11056 mLongitud de las varillas Lr=1500 mLongitud efectiva del conductor Lm= 12556 m

Calculo de resistencia de puesta tierra

RG= 1,2372

Calculo del GPR

Si GPR< Etoque el proceso de clculo se para aqu Calculo de la tensin de retcula (Em) y de paso (Eg)Calculo efectivo de cables en paraleloLp: longitud del permetro de la malla, m.Lc: longitud total del conductor, m.A: rea cubierta por la malla, m2.Lx: mxima longitud de la malla en el eje X, m.Ly: mxima longitud de la malla en el eje Y, m.Dm: mxima distancia entre dos puntos en la malla

Para mallas con varillas en las esquiinasKm: factor geometraH: profundidad de la mallaD: dimetro del conductor de la mallaD: espacio entre conductores paralelosKi: factor de correccin por geometra en forma de malla

Factor de enterramiento de la malla

Longitud efectiva del cable y varillas enterradas

Calculo de tensin de retcula

IG: corriente mxima de malla A: resistividad del suelo

Factor de geometra para tensiones de paso

Calculo de la tensin de paso

1.2.2 Verificacin en la tensin de115 [KV]

Evaluacin del calibre del conductor. Se utilizara el mismo diseo, se procede a verificar tensin de paso y de toque para 115 [KV]Para la evaluacin del calibre del conducto se utiliza la frmula de Sverak que se presenta a continuacin:

De acuerdo al material del conductor que se utilizara se seleccionan los datos anteriores de la tabla 7-1.Se utilizara como material del conductor cobre recocido y se obtuvo que la siguiente seccin trasversal del conductor.

Como se va hacer una malla para toda la subestacin el conductor seleccionado es el anterior. Calculo de las tensiones mximas permitidas ( paso y toque):Como se va utilizar en la subestacin el mismo diseo de la malla de tierra, las tensiones permitidas de paso y de toque son las mismas para 230 [KV] y 115 [KV]; Calculo de resistencia de puesta tierraLa resistencia calculada para la malla de puesta a tierra es la misma para todos los patios.RG=1,2372

Calculo del GPR

Si GPR< Etoque el proceso de clculo se para aqu

Calculo de la tensin de retcula (Em) y de paso (Eg)Calculo efectivo de cables en paralelo

Para mallas con varillas en las esquiinas

Factor de enterramiento de la malla

Longitud efectiva del cable y varillas enterradas

Calculo de tensin de retcula

IG: corriente mxima de malla A: resistividad del suelo

Factor de geometra para tensiones de paso

Calculo de la tensin de paso

[V]

1.2.3 Verificacin en la tensin de 34,5 [KV]

Evaluacin del calibre del conductor. Se utilizara el mismo diseo, se procede a verificar tensin de paso y de toque para 34,5 [KV]Para la evaluacin del calibre del conducto se utiliza la frmula de Sverak que se presenta a continuacin:

De acuerdo al material del conductor que se utilizara se seleccionan los datos anteriores de la tabla 7-1.Se utilizara como material del conductor cobre recocido y se obtuvo que la siguiente seccin trasversal del conductor.

Como se va hacer una malla para toda la subestacin el conductor seleccionado es el mismo. Calculo de las tensiones mximas permitidas ( paso y toque):En 34,5 [KV] se utilizan celdas, donde el contacto metal-metal es importante, para tenerlo en cuenta se hace ; resultando las siguientes ecuaciones.Para 50 kg

Para 70 Kg:

Calculo de resistencia de puesta tierra

RG= 1,2372 Calculo del GPR

Si GPR< Etoque el proceso de clculo se para aqu

Calculo de la tensin de retcula (Em) y de paso (Eg)Calculo efectivo de cables en paralelo

Para mallas con varillas en las esquiinas

Factor de enterramiento de la malla

Longitud efectiva del cable y varillas enterradas

Calculo de tensin de retcula

IG: corriente mxima de malla A: resistividad del suelo

Factor de geometra para tensiones de paso

Calculo de la tensin de paso

1.2.4 Verificacin en la tensin de 13,8 [KV]

Evaluacin del calibre del conductor. Se utilizara el mismo diseo, se procede a verificar tensin de paso y de toque para 13,8 [KV]Para la evaluacin del calibre del conducto se utiliza la frmula de Sverak que se presenta a continuacin:

De acuerdo al material del conductor que se utilizara se seleccionan los datos anteriores de la tabla 7-1.Se utilizara como material del conductor cobre recocido y se obtuvo que la siguiente seccin trasversal del conductor.

Como se va hacer una malla para toda la subestacin el conductor seleccionado es el mismo. Calculo de las tensiones mximas permitidas ( paso y toque):En 34,5 [KV] se utilizan celdas, donde el contacto metal-metal es importante, para tenerlo en cuenta se hace ; resultando las siguientes ecuaciones.Para 50 kg

Para 70 Kg:

Calculo de resistencia de puesta tierra

RG=1,2372 Calculo del GPR

Si GPR< Etoque el proceso de clculo se para aqu

Calculo de la tensin de retcula (Em) y de paso (Eg)Calculo efectivo de cables en paralelo

Para mallas con varillas en las esquiinas

Factor de enterramiento de la malla

Longitud efectiva del cable y varillas enterradas

Calculo de tensin de retcula

IG: corriente mxima de malla A: resistividad del suelo

Factor de geometra para tensiones de paso

0,3448Calculo de la tensin de paso

2 APANTALLAMIENTOSe requiere el uso de dispositivos para proteger a la subestacin de descargas atmosfricas que se puedan presentar en la instalacin, aunque en el lugar donde se va a ubicar la subestacin el nivel ceraunico no es muy alto.Para el apantallamiento de la subestacin se utilizara cables de guarda y puntas captadoras franklin.2.1 Cables de guarda:

Conductores ubicados por encima del equipo a proteger y conectados a tierra travs de los prticos de la subestacin. Protegen a lo largo de todo el cable. Se aprovechan los prticos como estructuras de soporte. La corriente viaja en ambas direcciones en el cable, con lo cual la corriente que debe disipar las estructuras se reduce. Mejora las condiciones de disipacin de la malla de tierra al transportar parte de la corriente de secuencia cero en casos de cortocircuitos a tierra.2.2 Puntas captadorasEstn ubicadas sobre los prticos y requieren como estructura adicional un castillete, su instalacin y mantenimiento es ms fcil. Aumenta las corrientes de retorno, hacindose ms atractivas al rayo, pero a la vez presentan mayores problemas para la disipacin de esta corriente.2.3 Mtodo de proteccin: Mtodo de los ngulos fijos

1. APANTALLAMIENTO.

DISTANCIA DE DESCARGA CRTICA.

Ic: corriente crtica de flameo KAK: coeficiente que tiene en cuenta las diferentes distancias de descarga.a) 1,0 para cables de guarda.b) 1,2 para mstiles y punta pararrayos.CORRIENTE CRTICA.

Zo: Impedancia caracterstica del barraje a proteger, BIL: Tensin soportada al impulso tipo atmosfrico del aislamiento del equipo, KVSe va a hacer el clculo de apantallamiento para el barraje de 230 que es la condicin ms desfavorable.Impedancia caracterstica.

Hav = altura promedio del conductor, mR radio del cable (fases conformadas por un solo conductor)Rc = radio corona (si es conductor simple o si se trata de un haz)Altura promedio.

Hmax = altura de conexin del cable de fase, mHmin= altura en la mitad del vano, mHmax = 7,7 mHmin =hmax w x L, donde L es la longitud del vano y w constante que relaciona la flecha mxima 0,03.Hmin = 7,7 0,03*20= 7,1m

Radio corona.

Rc= Radio corona, mHav= altura promedio del conductor, mEo= gradiente corona lmite, se toma igual 1500 KV/ mVc = Mxima tensin soportada por el aislamiento de los aisladores para una onda de impulso con polaridad negativa con un frente de onda de 6 us KV.

Rc = 0,14569 mPero a Rc se le agrega la distancia de del haz de conductores dada por la expresin Ro= raz(r*l) en donde r es el radio del conductor y l la distancia entre dos subconductores adyacentes.0, 038243/2*0,35)=0,0067 mEntonces el radio corona = Rc + Ro = 0,14569 + 0,0067= 0,15239 m.Con todos los clculos anteriores calculamos Zo

1.1. APANTALLAMIENTO DE BARRAS DE 230 kV1.1.1. Se calcula ahora la corriente crtica para 230 kV.

1.1.2. Calculando la distancia de descarga critica.Para cable de guarda:

Para mstiles:

1.1.3. Altura efectiva del cable de guarda.

1.1.4. Mstiles Transformador de 230/115 kV

H: altura del mstil, mDe: altura del equipo a proteger, mX distancia mxima horizontal desde la punta hasta el objeto que se desea proteger a una altura de, m

X= 11,2 mEl transformador tiene un ancho de 8 metros, entonces para protegerlo se necesita un mstil a una altura de 21,5 m.

1.2. APANTALLAMIENTO DE 115 kV1.2.1. Se calcula ahora la corriente crtica.

1.2.2. Calculando la distancia de descarga critica.Para cable de guarda:

Para mstiles

Cable de guarda Barra de 115 kVAltura efectiva del cable de guarda.

Mstiles Transformador de 115/34,5 kV

H: altura del mstil, mDe: altura del equipo a proteger, mX distancia mxima horizontal desde la punta hasta el objeto que se desea proteger a una altura de, m

X= 5,6 m