Diseño de Subestaciones

5/19/2018 Dise o de Subestaciones

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Teora sobreIng. Electricista Hernn Parra Diseo de Subestaciones Elctricas

TEORA SOBRE

DISEO DE SUBESTACIONES

VOLUMEN 2


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CONTENIDO

1. INTRODUCCIN ................................................................................................ 9

1.1. INGENIERA CONCEPTUAL ......................................................................... 10

1.2. INGENIERIA BASICA ...................................................................................... 10

1.3. INGENIERIA DE DETALLE ............................................................................ 11

1.4. DOCUMENTACIN NECESARIA. ................................................................. 11

1.4.1. Civiles .................................................................................................................. 11

1.4.2. Electromecnicos .................................................................................................. 12

1.4.3. Elctricos.............................................................................................................. 13

1.5. CONTENIDO DE CADA FUNCIONAL. .......................................................... 14

1.6. CUADERNOS FUNCIONALES Y HOJA DE CABLEADO DE UNASUBESTACIN. ................................................................................................ 15

1.6.1. Requerimientos de planos por cuaderno funcional. ................................................ 16

1.6.2. Hojas de cableado ................................................................................................. 17

2. AISLAMIENTO COMO BASE DEL DISEO ................................................ 19

2.1. AISLAMIENTO ................................................................................................. 19

2.2. TIPO DE SOBRETENSIONES ......................................................................... 19

2.3. SOBRETENSIONES EN EL DISEO DE LAS SUBESTACIONES .............. 20

2.4. NIVELES DE AISLAMIENTO NOMINALES. ............................................... 20

2.5. COORDINACION DE AISLAMIENTO .......................................................... 22

2.6. DISPOSICION GENERAL DE EQUIPOS ....................................................... 22

3. DISTANCIAS DE DISEO ............................................................................... 24

3.1. DISTANCIAS DIELECTRICAS ....................................................................... 243.1.1. Distancias de Fase a tierra. .................................................................................... 26

3.1.1.1. Distancia fase a tierra para instalaciones a alturas < 1000 msnm y tensiones < 245kV. ........................................................................................................................26

3.1.1.2. Distancia fase a tierra para instalaciones a alturas < 1000 msnm. y tensiones > 230kV. ........................................................................................................................26

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3.1.2. Distancias de Fase a Fase. ..................................................................................... 27

3.1.2.1. Distancia de fase a fase para instalaciones a alturas < 1000 msnm tensiones < 245 kV

..............................................................................................................................27

3.1.2.2. Distancia de fase a fase para instalaciones a alturas < 1000 msnm tensiones > 245kV. ........................................................................................................................27

3.2. CORRECCIN DE LOS VOLTAJES DE DESCARGA PARA ALTURASMAYORES A 1000 msnm DEBIDO A CONDICIONESMETEOROLGICAS. ...................................................................................... 28

3.3. DISTANCIAS A UTILIZAR EN LOS DISEOS EN BASE A LASDISTANCIAS DIELECTRICAS ....................................................................... 28

3.3.1. Distancia mnima entre fases para barras rgidas .................................................... 28

3.3.2. Distancia mnima entre fases para barras tendidas .................................................. 29

3.3.3. Alturas mnimas de las barras sobre el nivel del suelo. ........................................... 29

3.3.4. Altura de las partes energizadas de los equipos. .................................................... 29

3.3.5. Altura mnima para la llegada de las lneas. ............................................................ 29

3.4. DISTANCIAS DE SEGURIDAD ....................................................................... 29

3.4.1. Distancia de fase a tierra mnima basada en la dimensin fsica de referencia de unoperador. .............................................................................................................. 30

3.4.2. Distancia de seguridad vertical para circulacin de personal .................................. 30

3.4.3. Distancia horizontal para circulacin de personal................................................... 30

3.4.4. Distancia de seguridad vertical para circulacin de vehculos ................................. 30

3.4.5. Distancia de seguridad horizontal para circulacin de vehculos ............................. 31

3.5. DISTANCIAS DE MANTENIMIENTO ........................................................... 31

4. DIAGRAMA UNIFILAR ................................................................................... 32

5. SELECCION DE BARRAS ............................................................................... 34

5.1. Parmetros de seleccin ...................................................................................... 34

5.1.1. Ubicacin de las barras. ........................................................................................ 34

5.1.2. Expansin futura de la subestacin. ....................................................................... 34

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5.1.3. Seleccin del conductor. ....................................................................................... 35

5.1.4. Carga del viento. ................................................................................................... 35

5.1.5. Capacidad del aislador. ......................................................................................... 35

5.1.6. Longitud del vano. ................................................................................................ 35

5.1.7. La flecha y tensin. ............................................................................................... 35

5.1.8. Variaciones de temperatura. .................................................................................. 36

5.1.9. Derivacin de cargas. ............................................................................................ 36

5.2. CONDICIONES DE DISEO ELECTRICO. .................................................. 36

5.2.1. Capacidad de corriente.......................................................................................... 36

5.2.1.1. Modelo Westinghouse ...........................................................................................37

5.2.1.1.1. Calor o Potencia generado por efecto Joule. ..........................................................37

5.2.1.1.2. Potencia Disipada por radiacin Wr .......................................................................38

5.2.1.1.3. Potencia Disipada por conveccin Wc ....................................................................38

5.2.1.1.4. Corriente mxima a transmitir. ...............................................................................39

5.2.1.1.5. Resistencia a la temperatura del conductor .............................................................40

5.2.1.2. Westinghouse modificado ......................................................................................40

5.2.1.3. Modelo del Azimut Solar. ......................................................................................41

5.2.1.3.1. Potencia disipada por conveccin ...........................................................................41

5.2.1.3.2. Potencia disipada por radiacin ..............................................................................43

5.2.1.3.3. Potencia absorbida por insolacin ..........................................................................43

5.2.1.3.4. Capacidad de corriente del conductor ....................................................................44

5.2.1.4. Criterios para la seleccin definitiva. ......................................................................45

5.2.2. Cortocircuito. ....................................................................................................... 46

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5.3. CONDICIONES DE DISEO MECANICO..................................................... 47

5.3.1. Condiciones de diseo mecnico para Barras Tendidas (flexibles) en condiciones

estticas. ............................................................................................................... 48

5.3.1.1. Flecha mxima .......................................................................................................48

5.3.1.1.1. Efecto de las cadenas de aisladores de suspensin sobre la Flecha de los conductores 49

5.3.1.2. Esfuerzo a la rotura en condiciones estticas ..........................................................51

5.3.1.3. Criterios para seleccin y aprobacin de las barras tendidas. ...................................52

5.3.1.4. Criterio para el clculo de las tensiones y flechas de tensado. .................................52

5.3.1.5. Esfuerzos electromagnticos debido a la corriente de cortocircuito. .......................54

5.3.1.5.1. Fuerza de tensin durante el cortocircuito ..............................................................54

5.3.1.5.2. Ecuacin para obtener . .......................................................................................55

5.3.1.5.3. Esfuerzo despus del cortocircuito .........................................................................56

5.3.1.5.4. Criterios de seleccin de los conductores herrajes y aisladores. ..............................56

5.3.2. Criterios para seleccin y aprobacin de las Barras soportadas. ............................. 56

5.3.2.1. Deflexin ...............................................................................................................57

5.3.2.2. Tipos de montaje de las barras. ..............................................................................57

5.3.2.3. Deflexin de las barras. ..........................................................................................57

5.3.2.3.1. Deflexin debido al peso y al viento .......................................................................58

5.3.2.3.2. Deflexin debido a los herrajes y bajantes...............................................................59

5.3.2.3.3. Deflexin debido a los bajantes ..............................................................................59

5.3.2.3.4. Criterio de seleccin para la seccin de la barra ......................................................60

5.3.2.4. Esfuerzos electromecnicos debido a la corriente de cortocircuito. .........................60

5.3.2.4.1. Esfuerzo Esttico. ..................................................................................................60

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5.3.2.4.2. Esfuerzo dinmico .................................................................................................61

5.3.2.4.3. Esfuerzo flexionante ..............................................................................................62

5.3.2.4.4. Criterio de seleccin ..............................................................................................62

5.3.2.4.5. Relacin de esfuerzo dinmico a esfuerzo esttico V. ...........................................64

5.3.2.4.6. Factor de reenganche Vr. .......................................................................................64

5.3.2.4.7. Factor .................................................................................................................65

5.3.2.4.8. Factor q ................................................................................................................66

6. SERVICIOS AUXILIARES DE CORRIENTE CONTINUA Y ALTERNA ... 67

6.1. SERVICIOS AUXILIARES DE CORRIENTE CONTINUA .......................... 67

6.2. TENSIONES NORMALIZADAS ...................................................................... 67

6.3. DIMENSIONAMIENTO DEL BANCO DE BATERIAS ................................. 68

6.4. TENSION DE ECUALIZACION ...................................................................... 69

6.5. CLCULO DE BANCO DE BATERAS Y CARGADORESRECTIFICADORES PARA SUBESTACIONES. ............................................ 70

6.6. DIAGRAMA TIPICO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIN ENCORRIENTE CONTINUA. ............................................................................... 75

7. ENCLAVAMIENTOS ........................................................................................ 77

7.1. BLOQUEOS MECANICOS .............................................................................. 77

7.2. DONDE Y COMO SU UTILIZAN .................................................................... 77

7.3. PARTES DE UN ENCLAVAMIENTO ............................................................. 78

7.4. TIPOS DE CERRADURAS ............................................................................... 78

7.5. POSICION DE LOS EQUIPOS ......................................................................... 79

7.6. SIMBOLOGIA ................................................................................................... 797.7. FUNCIONAMIENTO DEL ENCLAVAMIENTO MECANICO ..................... 81

7.8. APLICACIN A LOS SECCIONADORES CON MANDO MANUAL ......... 82

7.9. BLOQUEOS ELECTRICOS ............................................................................. 82

7.10. LOGICAS TIPICAS DE ENCLAVAMIENTO ................................................ 82

7.10.1. Desenergizacin de una salida de lnea .................................................................. 82

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7.10.2. Puesta a tierra de la salida de lnea ........................................................................ 84

8. APANTALLAMIENTO CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS ........... 85

8.1. CABLES DE GUARDA ..................................................................................... 85

8.2. PUNTAS FRANKLIN ........................................................................................ 86

8.3. DESCRIPCIN GENERAL DE LA INSTALACIN ..................................... 86

8.3.1. Area de 115 kV y 69 kV. ...................................................................................... 86

8.3.2. Metodologa para dos (2) cables de guarda y cuatro (4) puntas Franklin ................ 87

8.3.2.1. Para dos (2) Cables de Guarda. ..............................................................................87

8.3.2.1.1. Nivel 115 kV. ........................................................................................................89

8.3.2.1.2. Nivel 69 kV. ..........................................................................................................90

8.3.2.2. Proteccin con Cuatro (4) Puntas Franklin. ............................................................91

8.3.2.2.1. Para el tramo de Barras de 115 kV :.......................................................................93

8.3.2.2.2. Para el tramo de Barras de 69 kV : ........................................................................94

8.3.3. Metodologa para una Punta Franklin .................................................................... 95

9. ISOMTRICO DE CARGAS. ........................................................................... 99

9.1. GENERAL. ......................................................................................................... 99

9.2. TIPOS DE CARGAS. ....................................................................................... 100

9.2.1. Carga longitudinal ............................................................................................... 100

9.2.2. Carga vertical ..................................................................................................... 100

9.2.3. Carga transversal ................................................................................................ 100

9.3. IDENTIFICACIN DE LAS CARGAS VERTICALES. ............................... 100

9.4. CARGAS LONGITUDINALES. ..................................................................... 101

9.4.1. Ecuaciones para el clculo mecnico del conductor ............................................. 102

9.4.1.1. Tensin mnima.................................................................................................... 102

9.4.1.2. Ecuacin de cambio de estado ............................................................................. 102

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9.5. CARGAS TRANSVERSALES. ....................................................................... 103

9.6. REPRESENTACIN DE LAS CARGAS. ...................................................... 103

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CAPITULO IALCANCE DEL DISEO

1.

INTRODUCCIN

El proyecto de una subestacin al igual que cualquier otro proyecto requiere de una

serie de definiciones que justifiquen el porque de desarrollo y la inversin a ser

realizada. Es por eso que esta instalacin no escapa al proceso de ingeniera en s.

Este trabajo que se presenta en este documento intenta recoger la experiencia

obtenida a lo largo de 15 aos de experiencia dedicada al diseo de subestaciones

para las industrias elctricas del pas y petrolera. En este sentido se presentan los

lineamientos en los cuales se han basado cada uno de los diseos realizados a lo

largo de la trayectoria profesional y que han servido para desarrollar unas

instalaciones seguras y confiables a satisfaccin de los clientes.

Obviamente existen una serie de recaudos que deben cumplirse a fin de que llegue a

un final seguro el objetivo planteado, estos recaudos no son mas que las etapas por

las cuales ha de pasar el trabajo del ingeniero para que cada uno de los autores que

intervienen en cada una de las etapas pueda comprender lo que el ingeniero de

planificacin y diseo concibi.

Aun cuando son muchas las etapas que intervienen durante el diseo existen tres

grandes grupos que las involucran a todas y son la ingeniera conceptual, la

ingeniera bsica y la ingeniera de detalle. Cabe resaltar que todas estas etapas son

previas a la etapa de construccin de la cual no se hablar en este trabajo pues este

solo trata del diseo en s.

En este sentido se indicar en que consiste cada una de estas etapas.

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1.1. INGENIERA CONCEPTUAL

Es aqu donde se establecen los requerimientos de una instalacin, se hacen losestudios para determinar su incorporacin al sistema elctrico existente y bajo que

esquema va a funcionar as como los requerimientos de confiabilidad y seguridad de

servicio que deber tener para cumplir con las necesidades del cliente. En esta etapa

se realizan los estudios de factibilidad con el objeto de determinar la rentabilidad de

la instalacin y tambin para establecer los apartados de presupuestos

correspondientes. En esta etapa tambin se decide la ubicacin optima de la

instalacin.

A fin de obtener un aproximado del valor de la instalacin se realizan estimados de

costos con un porcentaje de error muy alto, por lo general se hacen estimados clase

10.

1.2. INGENIERIA BASICA

En esta etapa se plasma en papel los requerimientos de la instalacin. Se obtienen

las partidas de obra con las cuales se elabora el documento de licitacin, se obtienela cantidad de equipos mayores necesarios, se elaboran las especificaciones tcnicas

para la compra de los mismos y se realizan los planos referenciales para el proceso

de licitacin.

Entre las actividades que se realizan en esta etapa se encuentran las siguientes:

Elaboracin de los planos de disposicin de equipos y cortes electromecnicos.

- Se define el rea de la subestacin.

- Se ubica la subestacin en forma definitiva.

- Se realiza la procura de los equipos mayores.

- Se elaboran los paquetes de licitacin para las Obras Civiles y

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Electromecnicas.

- Se licita la construccin de la subestacin.

1.3. INGENIERIA DE DETALLE

En esta etapa se realizan las siguientes actividades:

- Evaluacin tcnica de equipos y seleccin del mismo.

- Se elaboran planos con 1as verdaderas dimensiones de los equipos.

- Se corrigen las dimensiones de la ingeniera bsica.

- Se elaboran los planos civiles.

- Se elaboran los planos de detalle.

- Se elaboran los planos funcionales.

- Se compran los equipos menores.

1.4. DOCUMENTACIN NECESARIA.

Entre la documentacin que debe presentarse se encuentran por disciplina los

siguientes:

1.4.1. Civiles

- Disposicin general de Fundaciones.

- Detalles de cada una de las fundaciones.

- Malla de tierra.

- Disposicin de Pistas, canales y ductos.

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- Drenajes.

- Levantamiento topogrfico.

- Curvas modificadas del terreno.

- Detalles de fijacin de cadenas de aisladores.

- Cerca perimetral.

- Puesta a tierra de cercas.

- Arquitectura de la casa de mando.

- Movimiento de tierra.

- Instalaciones elctricas Casa de Mando

- Aguas negras y blancas de la Casa de Mando.

- Detalles y acabados.

- Isomtrico de aguas blancas y negras.

- Aguas de lluvia.

- Memoria de clculo.

1.4.2. Electromecnicos

- Disposici6n general de equipos - Planta.

- Disposici6n general de equipos - Cortes.

- Isomtrico de Cargas.

- Lineamiento de soportes de equipos.

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- Ubicacin de conectores de alta tensin.

- Lista de conectores de alta tensin.

- Apantallamiento con cable de guarda.

- Detalles de fijacin de cadenas de aisladores.

- Herrajes de fijacin del Cable de guarda.

- Detalles de puesta a tierra de equipos y estructuras.

- Lista de conectores de puesta a tierra.

- Iluminacin.

- Disposicin de accionamiento de equipos.

- Disposicin de bajantes de equipos.

- Diagrama Unifilar General.

- Ubicacin de tableros en patio.

- Ubicacin de tableros y equipos en casa de mando.

- Memoria de clculo.

1.4.3. Elctricos

- Funcionales de cada tramo.

- Cableado de cada tramo.

- Funcional de cada tablero.

- Cableado de cada tablero.

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- Cableado de cada equipo.

- Lista de Cables.

- Ruteo de Cables.

1.5. CONTENIDO DE CADA FUNCIONAL.

Los cuadernos funcionales como su nombre lo indica contienen los diagramas de

funcionamiento de cada parte de la subestacin, su presentacin depende de cada

empresa, sin embargo, es recomendable que los mismos contengan como mnimo la

siguiente estructura:

- Portada que identifique a que tramo correspondes los planos funcionales del

cuaderno.

- Plano de Leyenda conteniendo la identificacin de la simbologa presentada en

los diagramas. Aqu tambin se acostumbra indicar tipo y marca del equipo que

se esta identificando con la finalidad de poder identificarlo rpidamente para su

reemplazo en caso de que se dae.

- Diagrama Unifilar. Se refiere a l diagrama del tramo en el cual se identifican los

equipos mayores del mismo.

- Diagrama trifilar. Esta es una representacin del sistema trifsico en donde se

indican los transformadores de corriente y tensin as como la manera en que

su cableado secundario se conecta a los diferentes equipos de medicin,

control y proteccin.

- Mando y control del Interruptor.

- Mando y control del Seccionador.

- Protecciones.

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- Alarmas.

- Distribucin de Polaridades.

- Hojas de cableado

- Lista de cables

1.6. CUADERNOS FUNCIONALES Y HOJA DE CABLEADO DE UNA

SUBESTACIN.

El cuaderno funcional contiene en forma grafica toda la informacin que necesita elingeniero que realiza las pruebas de operacin y recepcin de la obra. el cuaderno

funcional se elabora uno por cada tramo, o por equipo que no intervenga como

elemento de cada tramo. en una subestacin se encuentran los siguientes tramos:

- Tramo de salida de Lnea.

- Tramo de transformacin.

- Tramo de enlace de barras.

- Tramos de llegada de alta tensin a baja tensin.

En una subestacin se pueden encontrar los siguientes cuadernos que no forman

parte de los tramos:

- Servicios auxiliares de corriente alterna y continua.

- Alarmas

- Control y mando.

- Tablero de interfase.

- Protecciones de lnea.

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- Protecciones de transformador.

- Protecciones de barra.

- Celdas de 13.8 kV.

1.6.1. Requerimientos de planos por cuaderno funcional.

A continuacin se presenta una tabla con los requerimientos de planos para cada

tipo de cuaderno funcional, cabe resaltar que esta lista de planos corresponde a una

subestacin de bajo perfil, barra seccionada. Se deber tener presente que por cada

salida de lnea, transformador, salida o llegada de transformador debe existir un

cuaderno funcional..

PORTADA

LEYENDA

DIAGRAMA

UNIFILAR

DIAGRAMA

TRI

FILAR

OB

IFILAR

ESQUEMA

DEM

ANDO

ESQUEMA

DEC

ONTROL

PROTECCIONE

S

ENCLAVAMIENTO

ALARMAS

DISTRIBUCIN

DEPOLARIDADES

1 TRAMO SALIDA DE LINEA * * * * * * * * * *2 TRAMO DE ENLACE * * * * * * * * * *3 SALIDA A TRANSFORMADOR * * * * * * * * * *4 TRANSFORMADOR * * * * * * * * * *5 LLEGADA DE TX A BARRA DE ... * * * * * * * * * *6 CELDA DE .... * * * * * * * * * *7 TABLERO SACA * * * * * * * *

8 TABLERO SACC * * * * * * * *9 TABLERO DE DISTRIBUCIN * * * * *

10 TABLERO DE ALARMAS * * * * * * *11 TABLERO DE PROTECCIN * * * * * * * * * *12 TABLERO DE MANDO Y CONTROL * * * * * * * *

HOJAS POR CUADERNO

CUADERNO

Tabla 1.1

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1.6.2. Hojas de cableado

Por cada cuaderno funcional se deben considerar las hojas de cableado (Fig. 1.1), si

los cuadernos permiten a los ingenieros revisar la funcionalidad de la conexin de

los terminales de equipos con conductores, las hojas de cableado permiten que el

instalador del conductor identifique rpidamente la ruta de ubicacin del mismo as

como a donde estarn conectados sus extremos.

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Figura 1.1

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Capitulo IIAISLAMIENTO COMO BASE DEL

DISEO

2.

AISLAMIENTO COMO BASE DEL DISEO

2.1. AISLAMIENTO

Es el elemento o material de una instalacin que tiene la propiedad de soportar una

sobre tensin sin que se deteriore su rigidez dielctrica.

En una subestacin existen dos tipos de aislamiento:

- Autorrecuperable

Formado por el aire existente entre dos elementos sometidos a una diferencia de

potencial.

- No autorrecuperable

Relacionado con el aislamiento interno de los equipos.

Se denomina autorrecuperable porque al cesar la sobre tensin recuperan sus

caractersticas aislantes.

2.2. TIPO DE SOBRETENSIONES

- Internas debido a:

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Maniobras en los equipos - Fallas en el sistema.

- Externas debido a:

Descargas atmosfricas.

2.3. SOBRETENSIONES EN EL DISEO DE LAS SUBESTACIONES

La rigidez dielctrica de un material puede colapsar por efecto de una sobre tensin

dando origen a la creacin de un arco elctrico, en consecuencia los equipos,

subestaciones o cualquier otro elemento que pueda estar a un potencial distinto de

cero se disea para que soporte un valor mximo de sobre tensin.

Dependiendo de la tensin nominal de operacin de la subestacin o equipo se han

normalizado los valores mximos de sobre tensin que esta puede soportar.

Estos valores se definen de la siguiente manera:

BIL ( Basic Insulation Level )

Nivel bsico de aislamiento para sobre tensiones por descargas atmosfricas,

criterio utilizado para instalaciones con tensiones menores o iguales a 300 kV

BSL ( Basic Switching Level )

Nivel bsico de aislamiento para sobre tensiones por maniobra, criterio utilizado en

instalaciones con tensiones mayores de 300 kV.

2.4. NIVELES DE AISLAMIENTO NOMINALES.

El nivel de aislamiento nominal de una instalacin ser el que indica la Tabla 2.1 y

2.2, segn la tensin nominal, en caso de que la tensin nominal no coincida con

alguno de los valores correspondiente se tomar el valor inmediato superior.

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Tabla 2.1

Nom. kV lnea-lnea E.E.U.U. (kV)- EUROPA (kV)- Dist. Potencia -

1,2 30 45 -

2,5 - -

2,75 45 60 -

3,6 - - 45

5,0 - - -

5,5 60 75 -

7,2 - - 60

8,7 - - -

9,52 75 95 -

12,0 - - 75

15,0 - - -

15,5 95 110 -

17,5 - 95

23,0 - -

24,0 - 125

25,8 150 -

34,5 - -

36,0 - 170

38,0 200 -

46,0 - -

48,3 250 -52,0 - 250

69,0 - -

72,2 350 325

92,0 450 -

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Tabla 2.2

Nom. kV lnea-lnea E.E.U.U. (kV)- EUROPA (kV)100,0 - 450

115,0 550 -

123,0 - 550

138,0 650 -

145,0 - 650

161,0 750 -

170,0 - 750

196,0 900 -

230,0 1050 -

245,0 - 1050

287,0 1300 -

300,0 - 1175

345,0 1550 -

360,0 1610 -

420,0 - 1550

525,0 - 1675

750,0 - 2350

Caracterstica de la onda de impulso para los ensayos de sobre tensiones 1,2 / 50 microsegundos.

2.5. COORDINACION DE AISLAMIENTO

El estudio para mantener los niveles de sobre tensin por debajo de los niveles

bsicos de aislamientos se denomina Coordinacin de aislamiento.

2.6. DISPOSICION GENERAL DE EQUIPOS

En una subestacin elctrica el material aislante entre los elementos que estn a

diferente potencial es el aire. La rigidez dielctrica del aire puede romperse cuando

el gradiente de potencial alcanza valores elevados. Por lo tanto el diseo de la

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disposicin de los equipos en una subestacin esta orientado a la distribucin de

estos, de las barras de distribucin de energa o de cualquier elemento, de manera

que las distancias entre ellos sean suficiente para que no se produzcan entre s

arqueos al aparecer una sobre tensin. Ver figura 2.1.

Figura 2.1

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Capitulo IIIDISTANCIAS DE DISEO

3.

DISTANCIAS DE DISEO

Son las distancias que permiten definir la separacin que debe existir entre los

diferentes componentes que conforman una subestacin.

Se distinguen tres (3) tipos de distancias que son

- Distancias dielctricas o por descarga disruptiva.

- Distancias de Seguridad o circulacin.

- Distancias de Mantenimiento.

3.1. DISTANCIAS DIELECTRICAS

Son aquellas que nos permiten garantizar un perfecto aislamiento entre dos cuerpos

bajo tensin o un cuerpo bajo tensin y uno a tierra.

Como el medio aislante entre los elementos energizados de una subestacin,distinto a aquellos tales como los arrollados de los transformadores, es el aire, las

distancias dielctricas estn relacionadas con la mxima sobre tensin a la cual

pueden estar sometidos los cuerpos y la probabilidad de la ruptura de la rigidez

dielctrica de este medio aislante.

Las distancias dielctricas o de descarga disruptiva son las mnimas que garantizan

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que no habr un arqueo, sin embargo las mismas no son suficientes para

dimensionar una subestacin, ellas deben incrementarse, el incremento necesario se

indica mas adelante.

Las distancias dielctricas son:

- Distancia de fase a tierra.

- Distancia de fase a fase.

Para obtener el valor de las distancias dielctricas para una subestacin, se debe

conocer la tensin critica de descarga por impulso al rayo o maniobra ( Critical

Voltage Flashover CVF ) y el nivel bsico de aislamiento de la instalacin por

impulso al rayo o maniobra ( Basic Insulating Level BIL o el Basic Switching

Level BSL ).

La tensin critica de descarga es aquella a la cual se tienen descargas en el 50 % de

las aplicaciones.

El nivel bsico de aislamiento es aquella tensin que dara un 10 % de probabilidadde ocurrencia de una descarga. Esta tensin es menor que la CVF.

La relacin existente entre las tensiones de descarga y el nivel bsico de aislamiento

viene expresado por las siguientes ecuaciones:

Por impulso al rayo.

( )= 3,11VCFBIL rr Ec. 3.1

donde es la desviacin estndar referida a VCF y su valor recomendado es 3 %.

Por impulso de maniobras.

( )= 3,11VCFBSL m Ec. 3.2

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donde = 6 %

3.1.1. Distancias de Fase a tierra.

3.1.1.1. Distancia fase a tierra para instalaciones a alturas < 1000 msnm y tensiones

230 kV.

6,0

m dk500VCF = (Ecuacin emprica de L. Paris) Ec. 3.4

Donde:

667,1

m

k500

VCFd

= Ec. 3.5

o

+

tierrafase

m

d

81

k3400VCF ( Ecuacin emprica de Gallet y Leroy). Ec. 3.6

Donde

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( )mm

VCFk3400

VCF8d

= Ec. 3.7

Siempre que se cumpla 2 m < d < 15 m.

Los factores k para este caso son:

Tabla 3.1

Configuracin Factor k

- varilla-varilla 1,4

- Conductores de fase exterior a torre o prtico 1,35- Conductor de fase interior a ventana 1,2

- Fase-Fase 1,5

- Punta-Plano 1,0

3.1.2. Distancias de Fase a Fase.

3.1.2.1. Distancia de fase a fase para instalaciones a alturas < 1000 msnm tensiones

245 kV.

Por impulso de maniobras

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( )mm

VCFk3400

VCF8d

= Ec. 3.10

3.2. CORRECCIN DE LOS VOLTAJES DE DESCARGA PARA ALTURAS

MAYORES A 1000 msnm DEBIDO A CONDICIONES

METEOROLGICAS.

Son definidas por el papel de trabajo No. 23 de la IEC, como las distancias

necesarias para mantener las partes vivas fuera del alcance del personal que opera o

realiza labores de mantenimiento en la subestacin.

3.3. DISTANCIAS A UTILIZAR EN LOS DISEOS EN BASE A LAS

DISTANCIAS DIELECTRICAS

- Distancia mnima entre fases para barras rgidas

- Distancia mnima entre fases para barras tendidas

- Altura mnima de las barras sobre el nivel del suelo

- Altura mnima de las partes energizadas de los equipos

- Altura mnima para la llegada de lneas

3.3.1. Distancia mnima entre fases para barras rgidas

Tabla 3.2

Clase de aislamiento Distancia entre centros de fase

24 kV o menor. 1,67 * d fase-tierra

desde 34,5 hasta 115 kV 1,6 * d fase-tierra

230 kV 1,5 * d fase-tierra

400 kV 1,8 * d fase-tierra

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3.3.2. Distancia mnima entre fases para barras tendidas

Tabla 3.3

Clase de aislamiento kV Distancia entre centros de fase.

hasta 230 kV 1,8 a 2,0 d fase-tierra

400 kV 2,0 a 2,25 d fase-tierra

3.3.3. Alturas mnimas de las barras sobre el nivel del suelo.

kV0125,00,5h += ( m ). Ec.3.11

3.3.4. Altura de las partes energizadas de los equipos.

kV0105,025,2h += ( m ). Ec. 3.12

3.3.5. Altura mnima para la llegada de las lneas.

kV006,00,5h += ( m ). Ec. 3.13

3.4. DISTANCIAS DE SEGURIDAD

Son definidas por el papel de trabajo No. 23 de la IEC, como las distancias

necesarias para mantener las partes vivas fuera del alcance del personal que opera o

realiza labores de mantenimiento en la subestacin.

Esta compuesto por las siguientes distancias:

- Distancia de fase a tierra mnima basada en la dimensin fsica de referencia de

un operador.

- Distancia horizontal para circulacin de personal.

- Distancia de seguridad vertical para circulacin de vehculos

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- Distancia de seguridad horizontal para circulacin de vehculos.

3.4.1. Distancia de fase a tierra mnima basada en la dimensin fsica de referenciade un operador.

Esta distancia consiste en la distancia de fase a tierra mas la talla patrn de un

operador la cual es:

- Mxima altura de un hombre = 1, 75 m

- Mxima longitud de los brazos abiertos = 1,75 m

- Mxima altura de un hombre con los brazos en alto = 2,25 m

3.4.2. Distancia de seguridad vertical para circulacin de personal

tierrafased25,2h += Ec. 3.14

Adicionalmente se debe cumplir que:

- Los partes bajo tensin no deben tener una altura inferior a 3 m.

- Ningn equipo debe estar colocado a una altura inferior de 2,25 m en caso

contrario deber usarse barrera de proteccin.

3.4.3. Distancia horizontal para circulacin de personal

Cuando las partes vivas estn por debajo de las alturas mnimas especificadas por la

seccin anterior se deber usar barreras de proteccin las cuales en ningn caso

estarn a menos de la distancia de fase a tierra ms 0,90 m.

3.4.4. Distancia de seguridad vertical para circulacin de vehculos

Estar en funcin de la altura de los vehculos que circularan por la instalacin mas

las distancia de seguridad vertical de circulacin de personal.

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3.4.5. Distancia de seguridad horizontal para circulacin de vehculos

Se consideran 0,7 m mayor que las distancias verticales.

3.5. DISTANCIAS DE MANTENIMIENTO

Son aquellas que hay que considerar para que el operario pueda realizar un

mantenimiento de los equipos bajo las condiciones de seguridad adecuada.

Se deben establecer para ello zonas de trabajo alrededor de los equipos las cuales

definirn la distancia necesaria para la labor de mantenimiento.

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Capitulo IVDIAGRAMA UNIFILAR

4.

DIAGRAMA UNIFILAR

Es una representacin esquemtica de la configuracin de la subestacin donde se

representan la posicin relativa de los diferentes equipos entre si, las protecciones,

y las mediciones. Figura 4.1.

Para interpretar a los diagramas unifilares se debe considerar el pas de origen del

plano, ya que cada equipo dependiendo del pas tiene su simbologa, aunque por lo

general se acostumbra colocar una leyenda de identificacin.

No obstante, la simbologa mas usada es la correspondiente a las Normas ANSI.

Cuando el plano contiene mucha informacin se acostumbra a elaborar unifilares

segn las funciones que se quieren reflejar en l, de esta manera se tiene unifilar de

protecciones, unifilar de mediciones, unifilar de operaciones.

En Venezuela aparte de utilizar la simbologa ANSI, se ha normalizado que los

planos deben identificar a los equipos en funcin de la Nomenclatura de OPSIS a

fin identificar la funcin que tendr el equipo dentro de la instalacin.

A continuacin se muestra la simbologa tpica utilizada en un diagrama unifilar.

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Figura 4.1

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Capitulo VDIMENSIONAMIENTO DE BARRAS

5.

SELECCION DE BARRAS

5.1. Parmetros de seleccin

El diseo de las barra principales en subestaciones involucra muchos factores, entre

los que se incluyen:

5.1.1. Ubicacin de las barras.

La ubicacin de las barras en la subestacin y su proximidad a otros equipos juega

un papel fundamental en el tamao de una S/E. Los conductores flexibles usados en

la construccin de las barras principales en ciertas ocasiones se mueven por causa

de cortocircuitos o elongan debido a condiciones de temperatura por lo que deben

dimensionarse convenientemente para prevenir el contacto con otros equipos o

infringir las distancias mnimas de seguridad.

El mantenimiento de equipos e izamiento de los mismos tambin deben ser

considerados en la ubicacin de las barras y las estructuras de apoyo.

5.1.2. Expansin futura de la subestacin.

Las barras principales normalmente requieren que las estructuras de apoyo sean lo

suficientemente robustas puesto que ellas pueden limitar la expansin futura si no

son adecuadamente dimensionadas.

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5.1.3. Seleccin del conductor.

El conductor seleccionado debe estar basado en la ampacidad, propiedades fsicas ycosto del mismo. Los conductores deben seleccionarse tal que ellos tengan la

capacidad de resistir incrementos de cargas transitorias y fallas del sistema sin sufrir

dao por excesos de temperatura.

5.1.4. Carga del viento.

La carga del viento puede aumentar la flecha del conductor y la tensin

apreciablemente. La prctica usual es considerar al Cdigo Nacional de SeguridadElctrica como un mnimo. Las condiciones locales se deben tomar en

consideracin, dado que ellas pueden obligar el uso de criterios de carga ms

severo.

5.1.5. Capacidad del aislador.

Los aisladores deben ser seleccionados basado en las condiciones de carga mximas

esperadas. La carga mxima no debe exceder el 40 por ciento de la capacidad delaislador.

5.1.6. Longitud del vano.

La longitud del vano influye en la flecha del conductor. Cuando la longitud del

vano aumenta, la flecha aumenta si se mantiene la misma tensin. Para limitar la

flecha, las tensiones pueden aumentarse.

5.1.7. La flecha y tensin mecnica.

Las barras principales son colocadas usualmente sobre otros equipos de la

subestacin. La rotura del conductor podra producir daos o paralizacin de otros

equipos. Para prevenir la rotura y minimizar el tamao de la estructura de apoyo,

los conductores deben instalarse a un % de la tensin mecnica de ruptura que

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garantice su correcta operacin por el tiempo que dure la vida til de la S/E. La

flecha puede aumentar debido a la desviacin de las estructuras de apoyo.

5.1.8. Variaciones de temperatura.

Las variaciones de temperatura causan cambios en las longitudes del conductor.

Cuando la temperatura del conductor aumenta, la flecha aumenta y la tensin

disminuye.

5.1.9. Derivacin de cargas.

Las derivaciones de barras que deban conectarse a otras barras o equipos debern

tener tensiones limitadas para prever daos a equipos. Las derivaciones son

usualmente instalados con conductores flexibles.

Una vez seleccionado el material y el calibre del o los conductores que sern

utilizados como barra de la subestacin se debe verificar si los mismos satisfacen las

condiciones de diseo tanto elctrico como mecnico.

5.2. CONDICIONES DE DISEO ELECTRICO.

Valido tanto para barras tendidas como barras soportadas.

- Capacidad de corriente

- Cortocircuito

5.2.1. Capacidad de corriente

Existen cuatro (4) modelos matemticos para la verificacin de la capacidad

trmica en rgimen permanente de los conductores desnudos, en este trabajo solo

se presentan tres (3). Todos se basan en el principio de que la temperatura de un

conductor se mantiene constante siempre y cuando se cumpla que, la potencia

absorbida o generada por el conductor sea igual a la potencia disipada por l al

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medio que lo rodea.

Estos modelos son los siguientes:

Westinghouse

Referencia Transmission and Distribution Reference Book.

Westinghouse Modificado ( Incluye el efecto de insolacin solar).

Referencia Transmission and Distribution Reference Book.

Azimuth Solar

Murray W. Davis, IEEE, Vol. 89, Marzo 1970.

5.2.1.1. Modelo Westinghouse

Partiendo de la ecuacin general de balance trmico para este modelo la cual es:

( ) AWcWrPg += Ec. 5.1

A continuacin se describen cada uno de los trminos de la ecuacin general

anterior.

5.2.1.1.1. Calor o Potencia generado por efecto Joule.

Es el calor generado por el propio conductor debido al efecto Joule su valor se

obtiene mediante la siguiente ecuacin:

)Tc(ac

2

g RIP = Ec. 5.2

Donde:

Pg [W/pulg] = Potencia generada por el conductor debido al efecto Joule

I [A] = Corriente en el conductor

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Rac(Tc) [ /pulg ] = Resistencia del conductor a la temperatura Tc.

5.2.1.1.2.

Potencia Disipada por radiacin Wr

Es la emisin de calor de un cuerpo al medio ambiente que lo rodea de manera

natural, siendo el nico elemento facilitador entre ambos la diferencia de

temperatura existente entre ellos. La temperatura de un conductor puede verse

incrementada desproporcionadamente y causar graves daos al mismo, si el calor

generado por efecto joule rompe el equilibrio trmico entre ellos y excede la

capacidad de radiacin, dado que la energa calrica queda acumulada dentro en la

masa del conductor pueda incrementarse esta causando la fusin del mismo o elrecocido en las mordazas de fijacin. El valor de este calor disipado se calcula

mediante la siguiente ecuacin:

( ) ( )4a4

c

12 273T273Te108,36Wr += Ec. 5.3.

Donde,

Wr [w/pulg

2

] = Potencia disipada por el conductor por radiacin

E = Emisividad de la superficie del conductor

Tc [ C ] = Temperatura de operacin del conductor

Ta [ C ] = Temperatura ambiente.

5.2.1.1.3. Potencia Disipada por conveccin Wc

En este caso el calor es extrado del conductor por medio de la accin de las

molculas del aire fro que circula en el medio ambiente, las cuales arrastran a las

molculas ms cercanas a la superficie del conductor que se encuentran en un

desorden molecular debido a que la temperatura en esta regin es mayor.

Este calor disipado se calcula mediante la siguiente ecuacin:

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( )

T

Tm

d

vP0128,0

Wc123,0

= Ec. 5.4.

Wc [ W/pulg2] = Potencia disipada en el conductor por conveccin

d [ pulg ] = dimetro del conductor

v [ pie/s ] = velocidad del viento ( Valor promedio 2,2 km/h )

T [ C ] = Variacin de Temperatura

( )

++

= 2732

TcTaTm Ec. 5.5

Tm [ K ] = Temperatura media del conductor

18336

h

10

1P= Ec. 5.6

h [ m ] = Altura del conductor sobre el nivel del mar

P [ atm ] = Presin atmosfrica

L

1LdA = ( L1 expresado en pulgadas y L en pulg ) Ec. 5.7.

A [ pulg2/pulg ] = rea superficial del conductor por unidad de longitud.

5.2.1.1.4. Corriente mxima a transmitir.

La corriente mxima que puede transmitir un conductor viene expresada por la

ecuacin:

ARac

WrWcI

TC

+

= Ec. 5.8.

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Como resultado importante del anlisis de estas ecuaciones se puede concluir que la

capacidad de corriente de un conductor desnudo depende nica y exclusivamente

de su rea superficial y su propia resistencia.

5.2.1.1.5. Resistencia a la temperatura del conductor

Para determinar el valor de la resistencia del conductor a cualquier temperatura Tc

conocida una temperatura de referencia t, se utiliza la siguiente ecuacin.

( )[ ]tTc1RacRac 20TC += Ec. 5.9.

Rac(t)[ / pulg ] = Resistencia alterna del conductor a t C

= 0,00393 para el cobre y 0,00403 para el Aluminio

La emisividad tiene los siguientes Valores

Tabla 5.1.

Emisividad

Material Cond. nuevo Cond. viejo CADAFEinteriores CADAFEexteriores

Cobre 0,40 0,70 0,4 0,6

Aluminio y aleaciones 0,38 0,90 0,35 0,5

ACSR 0,45 0,90 - -

5.2.1.2. Westinghouse modificado

Este modelo contiene los mismos trminos que la ecuacin anterior pero toma en

cuenta el efecto del calentamiento del conductor debido al sol, es decirencontramos aqu el termino de insolacin solar que viene expresado por la

siguiente ecuacin:

3

I 104516,6saW = Ec. 5.10.

s [ mW / cm2] = Intensidad de radiacin solar (Normalizado CADAFE 110 )

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a = Coeficiente de absorcin solar

Wi [ W/pulg

2

] = Potencia absorbida por insolacin

Con este nuevo termino la ecuacin queda de la siguiente manera:

A2

WiWcWrPg

+= Ec. 5.11.

La corriente que puede transportar el conductor es

ARac

2WiWrWc

ITC

+

= Ec. 5.12.

5.2.1.3. Modelo del Azimut Solar.

( Recomendado por CADAFE en sus Normas )

Este modelo contempla el ngulo con que incide el viento sobre el conductor en el

clculo de la potencia disipada por conveccin e insolacin.

5.2.1.3.1. Potencia disipada por conveccin

( ) ( )Pf ReCAsTaTcWc = Ec. 5.13.

52

f 1072

TaTc1042,2

++= Ec. 5.14.

n

180SenBAAs

+= Ec. 5.15

85 106,92

TaTc1032,1Vf

++= Ec. 5.16.

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Vf

10dvRe

3

= Ec. 5.17.

d

1dr= Ec. 5.18.

donde;

Wc [ W/m ] = Potencia disipada por conveccin por unidad de longitud

f[ W / m * C ] = Conductividad trmica del aire en la superficie del conductor

Vf[ m2/ s ] = Viscosidad cinemtica de la pelcula del aire que circunda el

conductor

v [ m/s ] = velocidad del viento

d [mm] = Dimetro externo del conductor

d1 [ mm ] = Dimetro de los hilos que forman el conductor

Re = Nmero de Reynolds

[ Sex ] = Angulo de incidencia del aire sobre el conductor

A, B, n = Constantes asociadas al ngulo

r = Rugosidad de la superficie del conductor

C, p = Constantes asociadas a r y Re

Los valores de A, B y n son los indicados en la tabla 5.2.

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Tabla 5.2

Angulo A B n

0 24 0,42 0,68 1,08

24 < 90 0,42 0,58 0,90

Los valores del Nmero de Reynolds son los mostrados en la tabla 5.3.

Tabla 5.3

Superficie Re r C p

Lisa Circular cilndrica100 Re 5.000

00,550 0,485

5.000 < Re 50.000 0,130 0,650

Trenzado y comp. A favor del Viento100 Re 3.000

< 0,1

0,570 0,485

3.000 < Re 50.000 0,094 0,710

Trenzado y comp. en contra del Viento100 Re 3.000

< 0,1

0,570 0,500

3.000 < Re 50.000 0,042 0,825

Trenzado a favor del Viento100 Re 3.000 > 0,1 0,570 0,485

3.000 < Re 50.000 0,051 0,79

5.2.1.3.2. Potencia disipada por radiacin

( ) ( ) 344 10d273Ta273TceWr ++= Ec. 5.19.

Wr [ W / m ] = Potencia disipada por radiacin por unidad de longitud

[ W/m2* K ] = Constante de Stefans Boltzman ( Su valor es 5,67 x 10 -8)

5.2.1.3.3. Potencia absorbida por insolacin

( ) 3107,12AfsenaRsWi = Ec. 5.20.

( )

=

180ZcZscos

180

Hccosarccos Ec. 5.21.

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Wi [ W/m ] = Potencia absorbida por insolacin por unidad de longitud

Rs [ W/m

2

] = Radiacin solar directa

[ Sex ] = Angulo de inclinacin del sol con respecto al eje del conductor

Hc [ Sex ] = Angulo de la altura del sol sobre el horizonte.

Zs [ Sex ] = Azimuth del sol

Zc [ Sex ] = Azimuth del conductor

f = Factor multiplicador de correccin debido a la altura del

conductor

a = Coeficiente de absorcin solar.

A [ pulg2/pulg ] = rea superficial del conductor

Azimuth es el ngulo de un plano vertical fijo con otro que pasa por un punto de la

esfera celeste.

5.2.1.3.4. Capacidad de corriente del conductor

TCRac

WiWrWcI

+= Ec. 5.22.

Rac debe estar expresada en Ohmios/m

Los valores de Rs son los indicados en la tabla 5.4.

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Tabla 5.4.

Tipo de Atmsfera Hc Rs

Clara 0 Hc 90 -200,36 + 291,95 * Ln Hc

Industrial

Hc < 5 0

5 Hc 30 61,06 + 17,44 * Hc

30 < Hc < 70 462,4 * e0,01 * Hc

70 Hc 671,29 + 1,99 * Hc

El valor de f en funcin de la altura sobre el nivel del mar se puede obtener de latabla 5.5.

Tabla 5.5.

h f

0 h 1.524 1,00

1.524 < h 3.048 1,15

3.048 < h 4.572 1,25

4.572 < h 1,3

5.2.1.4. Criterios para la seleccin definitiva.

Los criterios a seguir indistintamente del modelo que se tome deben ser (basados en

las Normas de CADAFE) los siguientes:

En exteriores.

- Temperatura ambiente mxima 40 C

En instalaciones interiores.

- Temperatura ambiente mxima 40 C, 50 C, 60 C

Aumento de temperatura mxima de diseo:

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- En condiciones normales 30 C y 35 C en el punto mas caliente.

- En condiciones de emergencia 70 C

5.2.2. Cortocircuito.

La seccin de las barras se calculan por cortocircuito a fin de verificar que el

aumento sbito de temperatura del conductor, no exceda la temperatura de fusin

del mismo.

Si bien estos valores se pueden encontrar muy rpidamente en tablas resulta

conveniente verificar las mismas matemticamente, para ello pueden considerarse

las siguiente ecuaciones:

++

=

234T

234Tlg0297,0t

S

I

1

2

2

para el cobre. Ec. 5.23.

++

=

228T

228Tlg0125,0t

S

I

1

2

2

para el aluminio. Ec. 5.24.

Donde

I [A] = Corriente de cortocircuito.

S [CM] = Seccin del conductor en circular mil.

t [s] = tiempo de duracin del cortocircuito.

T2; T1 = Temperatura en C.

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TCAP10tttc

Tako

TmkoLn

/IA4

++

= Ec. 5.25.

Donde,

A [ mm2] = Seccin transversal del conductor

I [ kA ] = Corriente de cortocircuito

Tm [ C ] = Mxima temperatura permisible en el conductor

Ta[ C ] = Temperatura ambiente

o[ C ] = Coeficiente de resistividad trmica del conductor a 0 C

t[ C ] = Coeficiente de resistividad trmica del conductor a t C

t[ *m2/cm ] = Resistividad del conductor a t C

ko[ C-1] = 1 / o

tc [ s ] = Tiempo de duracin de la corriente de cortocircuito

( Por lo general se toma 500 ms )

TCAP [ Joule/cm3* C ] = Constante trmica del material

Por lo general se selecciona la temperatura del conductor de manera que no se

produzcan recocido en el rea que une al conductor con la mordaza o conector de

fijacin. No obstante existen autores que recomiendan considerar 300 C para

conductores desnudos.

5.3. CONDICIONES DE DISEO MECANICO

En una subestacin pueden existir dos tipos de barras conductoras a saber tendidas

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(flexibles) y soportadas (rgidas) por lo que es necesario establecer para cada una

las condiciones que rigen su diseo. El tipo de barra conductora depender del uso

que la misma tendr en la subestacin, en este sentido encontramos que para vanos

y alturas grandes, interconexin entre equipos y bajantes es til el uso de barras

tendidas, mientras que en vanos cortos y alturas pequeas el uso de barras

soportadas son las mas convenientes.

En este sentido los requerimientos de cada una reviste una importancia muy grande

puesto que de ello depende la seguridad y el buen funcionamiento de la instalacin.

5.3.1. Condiciones de diseo mecnico para Barras Tendidas (flexibles) en

condiciones estticas.

Para las barras tendidas se deben hacer los clculos para verificar el cumplimiento

de los siguientes parmetros:

- Flecha mxima

- Esfuerzo a la rotura en condiciones estticas

- Esfuerzos electromagnticos debido a la corriente de cortocircuito.

5.3.1.1. Flecha mxima

La flecha del conductor en subestaciones se limita a ciertos valores a fin de impedir

que las elongaciones producto de los cambios ambientales de temperatura puedan

causar que las distancias mnimas de diseo sean excedidas.

Las Normas de CADAFE exigen que se cumplan los siguientes criterios para las

flechas:

2 % del vano L para L 20 m

3 % del vano L para 20 m < L 80 m

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5 % del vano L para 80 m L

5.3.1.1.1.

Efecto de las cadenas de aisladores de suspensin sobre la Flecha de losconductores

Aunque en la practica venezolana no se estila colocar cadenas de suspensin

terminales para conductores tendidos, en este caso se usan cadenas de amarre para

este arreglo es conveniente conocer cual es el efecto que tiene este arreglo sobre la

flecha de los conductores. Las ecuaciones que nos permiten obtener la variacin de

la flecha en este arreglo son las siguientes:

fconductorfcadenasftotal +=

Pcadena

TcC1= Ec. 5.26

Pconductor

TcC2= Ec. 5.27.

=lAB

2L

C2C1dBC Ec. 5.28.

= 1

C1

dBCcoshC1hBC Ec. 5.29.

C1

dBCsenhC1lABlAC += Ec. 5.30.

C1

lACsenh 1C1dAC

= Ec. 5.31.

= 1

C1

dACcoshC1hAC Ec. 5.32.

hBChACfcadena = Ec. 5.33.

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Donde:

C1 [m] = Constante de la Catenaria de la cadena de aisladores.

C2 [m] = Constante de la catenaria del conductor.

dAC[m] = Distancia horizontal del punto de fijacin de la cadena hasta el

centro de la catenaria del mismo.

dBC[m] = Distancia horizontal del punto de fijacin del conductor a la

cadena al centro de la catenaria de la misma.

dBD[m] = Distancia horizontal del punto de fijacin del conductor a la

cadena al centro de la catenaria del conductor.

lAB[m] = Longitud de la cadena.

lAC[m] = Longitud del arco desde el punto de fijacin de la cadena hasta

en centro de la catenaria de la misma.

hAC[m] = Flecha del punto de fijacin de la cadena hasta el centro de la

catenaria de la misma.

hAC[m] = Flecha del punto de fijacin del conductor a la cadena hasta el

centro de la catenaria de dicha cadena.

fcadena [m] = flecha de la cadena de aisladores.

fconductor[m] = flecha del conductor.

Tc[N] = Tensin horizontal del conductor.

Pcadena[N/m] = Peso de la cadena de aisladores.

Pconductor[N/m] = Peso del conductor.

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L [m] = Longitud del vano

La flecha del conductor se tomar en base a un vano igual a L-2 LAB

5.3.1.2. Esfuerzo a la rotura en condiciones estticas

Las barras tendidas son sometidas constantemente a esfuerzos mecnicos producto

de los cambios de temperatura del medio ambiente. As el conductor tendr su

mxima elongacin o flecha mxima cuando la temperatura sea mxima y la flecha

ser mnima cuando la temperatura sea mnima. Paralelo a estas variaciones de

flecha se produce una tensin en el conductor que puede, si llega a ser mayor al

esfuerzo que este puede soportar, lograr la rotura del mismo. En consecuencia se

debe verificar que este esfuerzo pueda ser tolerado por el conductor seleccionado

sin sufrir dao alguno.

Para la verificacin de este esfuerzo se puede utilizar con mucha aproximacin la

ecuacin del cambio de estado, cuya formula matemtica viene expresada de la

siguiente manera:

( ) 024

Exx APfxdTfTiifxExA

Ti24

Exx APixdTf

222

2

223 =

++

Ec. 5.34.

Donde:

A = Seccin del conductor en mm

d = Vano horizontal

= Coeficiente de dilatacin lneal del conductor en C-1

E = Mdulo de elasticidad del conductor en kg/mm

Esta ecuacin no contempla el peso de las cadenas, sin embargo, nos permite

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evaluar el orden de la fuerza producida.

5.3.1.3.

Criterios para seleccin y aprobacin de las barras tendidas.

En el clculo de las tensiones y flechas en condiciones estticas se deber tomar en

cuenta lo siguiente:

La flecha mxima no deber exceder los valores indicados en el punto 4.3.1.1 para

la mxima temperatura de la zona.

La mxima tensin a la cual puede llegar el conductor ser el 80 % de la tensin de

diseo del prtico, con un viento de 120 km/h y a la temperatura mnima de la zona

o en su defecto al 50 % de la carga de rotura del conductor.

5.3.1.4. Criterio para el clculo de las tensiones y flechas de tensado.

Estas se calcularn considerando las siguientes hiptesis:

Hiptesis A:

Temperatura mnima., viento mximo 120 km/h, 50 % tensin de ruptura mxima y

modulo de elasticidad final.

Hiptesis B:

Temperatura media segn la ubicacin geogrfica de la subestacin, sin viento,

tensin inicial calculada mediante la ecuacin indicada en los prrafos siguientes y

la cual no debe exceder el 30 % de la carga de ruptura del conductor.

Hiptesis C:

Temperatura mnima segn la ubicacin geogrfica de la subestacin, sin viento,

tensin mxima final igual al 25 % de la carga de ruptura.

Se deber tener en consideracin todas las cargas verticales aplicadas a la barra.

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Las condiciones bajo las cuales se determina el mximo esfuerzo en condiciones

estticas son las siguientes:

Condiciones iniciales para la flecha mxima:

- Viento 0 km/h

- Temperatura mxima segn la ubicacin geogrfica o en su defecto una

temperatura de diseo de 70 C.

Tensin mnima.

La tensin mnima se obtendr de la ecuacin de la flecha la cual viene dada por la

siguiente expresin:

Tmnima*8

L2wiFmxima

= Ec. 5.35.

wi [ kg/m ] = Peso compuesto del conductor

wi = w + Pbajantes

w = Peso del conductor

Pbajantes [ kg/m ] = Peso de los bajantes por unidad de longitud del vano

Pbajantes 0,5 + 0,01 * d Ec. 5.36.

d [ mm ] = dimetro del bajante.

Tmnima [ kg ] = Tensin mnima del conductor

Condiciones finales:

- Viento mximo de 120 km/h

- Temperatura mnima de la zona en C.

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Al evaluar la ecuacin de estado una vez aplicados los criterios anteriores se debe

cumplir que la tensin mxima obtenida no debe exceder el 50 % de la carga de

rotura del conductor.

5.3.1.5. Esfuerzos electromagnticos debido a la corriente de cortocircuito.

Durante un cortocircuito se producen esfuerzos no permanentes que pueden

ocasionar dependiendo de su magnitud, que una falla momentnea se transforme en

una falla permanente. Esto se puede producir por la rotura de los aisladores que

soportan el conductor , por rotura de las mordazas de fijacin, por colapso de la

estructura que soporta los conductores e inclusive por la rotura misma delconductor. Razn suficiente para determinar el esfuerzo que dicha corriente

produce a fin de dimensionar correctamente los equipos mencionados

anteriormente.

La publicacin 865 de la IEC proporciona las bases de diseo para la determinacin

de estas fuerzas dinmicas para vanos de hasta 20 m.

Las ecuaciones son las siguientes:

5.3.1.5.1. Fuerza de tensin durante el cortocircuito

)1(FestFt += Ec. 5.37.

+= 1

2

m'gn

F'o13 Ec. 5.38.

a

I2cc3

0,15F'o

= Ec. 5.39.

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( )

EA

100

LS10

1

400

F

3

est

m'2

+

= L

Ec. 5.40.

Donde:

Ft = Fuerza de tensin sobre el conductor en Newton

Fest = Tensin esttica del conductor.

, , = Factores para la fuerza de tensin en conductores flexibles.

gn = Aceleracin de gravedad expresado en 2s

m

m = masa del conductor en kg.

Fo = Fuerza en la fase mas externa del barraje principal producida por la corriente

de cortocircuito en N/m

Icc3= Corriente de cortocircuito trifsica expresada en kA.

a = Distancia entre centro de lnea entre conductores expresada en m.

L = Vano del conductor en m.

S = Constante de resorte de dos soportes de conductores expresado en N/mm.

E = Modulo de Young expresado en N/mm2.

A = Seccin del conductor expresada en mm2.

Si no es conocida S se puede usar con mucha aproximacin el valor de 100 N/mm.

5.3.1.5.2. Ecuacin para obtener .

La ecuacin del cual se puede obtener el valor de conocidos y es la siguiente:

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( )( )

2

=

Ec. 5.41.

5.3.1.5.3. Esfuerzo despus del cortocircuito

Este esfuerzo se considera solo si se cumple la siguiente ecuacin:

0,6m'g

n

F'o >

Ec. 5.42

En este caso la ecuacin a aplicar ser la siguiente:

m'gn

F'o41FestFf

+= Siempre que 2

m'gn

F'o

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