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1 Adición de aisladores tipo Line Post J. Castañeda A. Martínez A. Martínez 2013/07/120 Emisión Inicial J. Mahecha J. Mahecha A. Martínez 2013/03/15

Rev. Descripción Diseñó Revisó Aprobó Fecha

DISEÑO LÍNEA DE TRANSMISIÓN A 115 kV ENTRE S.E. OCOA Y LAS S.E. GUAMAL Y SAN FERNANDO

COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO

Diseñó: Revisó: Documento Nº.: Rev.

J. Mahecha J. Mahecha 1Fecha: Fecha: Fecha: Codigo cliente: Rev Cliente.

2013/03/15 2013/03/15 2013/03/15

Aprobó:

A. Martínez 750-LTM-010

COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO (CONSORCIO DISEÑOS META A+ I&D)

750-LTM-010 – Coordinación de aislamiento Página 2 de 27

TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN .............................................................................................................. 3

2. OBJETIVO............................................................................................................................ 4

3. CRITERIOS BÁSICOS DE DISEÑO ............................................................................. 5

4. DATOS BÁSICOS ............................................................................................................. 7

4.1. DATOS DE LAS LÍNEAS Y DEL SISTEMA ........................................................... 7

4.2. DATOS METEOROLÓGICOS ................................................................................... 7

4.3. CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA .................................................................. 7

4.4. ESTRUCTURAS .............................................................................................................. 8

4.5. AISLADORES ................................................................................................................. 8

5. METODOLOGÍA PARA LA COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO ............... 10

5.1. AISLAMIENTO A FRECUENCIA INDUSTRIAL ................................................. 10

5.2. AISLAMIENTO FRENTE A DESCARGAS ATMOSFÉRICAS .......................... 13

5.2.1. Determinación de la distancia de fuga ................................................... 13

5.2.2. Cálculo del voltaje crítico de flameo inverso ....................................... 14

6. Distancias de seguridad............................................................................................. 17

7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................................... 19

8. DOCUMENTACIÓN DE REFERENCIA .................................................................... 21

ANEXO 1. MAPA DE LA TEMPERATURA MÁXIMA PROMEDIO DE LA

REPÚBLICA DE COLOMBIA..................................................................................................... 22

ANEXO 2. MAPA DE HUMEDAD RELATIVA DE LA REPÚBLICA DE COLOMBIA

........................................................................................................................................................... 24

ANEXO 3. MAPA DE NIVELES CERÁUNICOS DE LA REPÚBLICA DE COLOMBIA

........................................................................................................................................................... 26



1. INTRODUCCIÓN

En este documento contiene el estudio de coordinación de aislamiento de la línea

de transmisión a 115 kV entre la subestación Ocoa en el municipio de Villavicencio

y las subestaciones Guamal y San Fernando ECP, en el municipio de Guamal en el

departamento del Meta, que hace parte del plan de mitigación de la demanda no

atendida por falla simple en el sistema de 115 kV, hacia el sur del departamento en

la zona Ariari, de la Electrificadora del Meta S.A.



2. OBJETIVO

El presente documento tiene por objetivo presentar la metodología y resultados de

la coordinación de aislamiento de la línea de transmisión a 115 kV, del proyecto

anteriormente mencionado.

El diseño de aislamiento tiene como objetivo definir las siguientes características de

la línea:

- Número de aisladores por cadena

- Distancias de aislamiento

- Distancias mínimas de fuga



3. CRITERIOS BÁSICOS DE DISEÑO

• Sobretensiones a frecuencia industrial y por descargas atmosféricas.

Debido a que el voltaje máximo del sistema para la línea se ubica en el rango I

según la norma IEC 60071-1 (1 kV <Um ≤ 245 kV), se analizan las distancias

eléctricas en términos de su soportabilidad ante impulsos de frente rápido (tipo

rayo) y de frecuencia industrial (Ver recuadro a continuación):

• Nivel ceráunico: De acuerdo al mapa de niveles ceráunicos para Colombia según

la NTC-4552.

• La densidad de descargas a tierra se calculará de acuerdo a la metodología

planteada en la Norma Técnica Colombia NTC 4552-2.

• Tipo y dimensiones típicas de las estructuras previstas para el proyecto.

• Aisladores estándar tipo campana y Line Post para zonas con presencia de

cultivos de palma.

• Conductor y cable de guarda definidos para el proyecto (Ver Numeral 4.3).

• Nivel de contaminación I (ligero) según Norma IEC-60815, que corresponde a

una distancia de fuga específica mínima de 16 mm/kV (Ver Numeral 5.2.1).

• Corrección de niveles de aislamiento según las condiciones atmosféricas propias

del proyecto (humedad, temperatura y densidad relativa).

• Criterio de comportamiento de la línea ante descargas atmosféricas:

Para el nivel de tensión de 115 kV, no hay regulación en torno a la exigencia de

determinado número de salidas de las líneas por descargas atmosféricas (No.

Salidas/100 km-año). Sin embargo, considerando las altas resistividades de los



terrenos de instalación de la línea (referirse al documento No. 750-LTM-006

Informe Medidas de Resistividad), se propone dejar un valor de máximo 10 fallas

por 100 km de línea al año.



4. DATOS BÁSICOS

4.1. DATOS DE LAS LÍNEAS Y DEL SISTEMA

Para el cálculo del área del cable de guarda a utilizar en la línea se tuvo en cuenta

la siguiente fórmula dada en la Norma IEEE 80 - 2000:

CARACTERÍSTICA VALOR

Tensión nominal fase–fase, Vn f-f, en kV 115

Máxima tensión de servicio fase-fase, Vmax f-f, en KV 123

Frecuencia nominal, en Hz 60

Altura sobre el nivel del mar, en m 467

Nivel de contaminación (Norma IEC 60815) Ligero

4.2. DATOS METEOROLÓGICOS

A continuación se relacionan los parámetros relevantes para la coordinación de

aislamiento:

CARACTERÍSTICA VALOR

Nivel ceráunico (días tormenta / año) 120 (*)

Humedad relativa (%) 85 (*)

Temperatura promedio (°C) 28 (*)

(*) Ver Anexos

4.3. CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA

El conductor de fase existente y el cable de guarda seleccionado tienen las

siguientes características principales:



CARACTERÍSTICA CONDUCTOR DE FASE CABLES DE GUARDA

Tipo ACSR OPGW

Calibre 605 kCM - Peacock 113 mm2

Cantidad subconductores 1 1

Diámetro (mm) 24.21 14

Peso unitario (kg/km) 1161 547

Tensión rotura (kg) 9773 7944

4.4. ESTRUCTURAS

Para los cálculos del aislamiento se consideraron estructuras metálicas de acero

galvanizado y estructuras tipo poste para doble circuito, con un cable de guarda.

4.5. AISLADORES

Para las estructuras de suspensión y retención se utilizan los mismos tipos de

aisladores, esto es, aisladores estándar de porcelana o vidrio templado en forma de

campana, con las siguientes características:

CARACTERÍSTICA

TIPO ESTÁNDAR

CADENAS DE

SUSPENSIÓN

CADENAS DE

RETENCIÓN

Tipo Suspensión disco cuenca

y bola

Suspensión disco cuenca

y bola

Material Porcelana o vidrio

templado

Porcelana o vidrio

templado

Diámetro D (mm) 254 254

Espaciamiento S (mm) 146 146

Distancia mínima de fuga

(mm) 292 292



a) Aislador tipo estándar b) Aislador tipo Line Post

Para el caso particular de las estructuras tipo poste, a instalar en las zonas con

presencia de cultivos de palma, se utilizarán aisladores Line Post cuyas dimensiones

deberán garantizar el cumplimiento de las distancias eléctricas calculadas en este

documento.



5. METODOLOGÍA PARA LA COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO A continuación se presenta una breve descripción de la metodología de cálculo

considerada para la ejecución del diseño de coordinación de aislamiento de la línea

de transmisión.

5.1. AISLAMIENTO A FRECUENCIA INDUSTRIAL

Se seguirá la metodología recomendada por el EPRI, Referencia 5:

V60HzF-N = VmáxF-N * Fs * Fy * Fden * Fh (kVrms) (1)

Donde:

V60HzF-N = Sobrevoltaje de 60 Hz

Vmáx F-N = Voltaje máximo de operación Fase – Neutro

Vmax F-N = 71 kV

Fs = Factor de sobre voltaje por tensiones temporales. Debido a que el

sistema se considera sólidamente aterrizado.

Fs = 1.4 (acorde con el capítulo 10 de la referencia 5)

Fy = Factor de contaminación y mantenimiento

Fy = 1.1 (acorde con el capítulo 10 de la referencia 5)

Fden = Factor de densidad del aire

Fden = 1 / densidad relativa del aire

Fh = Factor por humedad (ver Figuras A10.1.2. y A10.1.3)



Densidad Relativa: 0.93

Fden = 1/0.93

Fden = 1.06

Fh = Factor por humedad (ver Figuras A10.1.2. y A10.1.3)

Fh = 0.878 (para 28°C de temperatura promedio y 85% de humedad relativa del aire)



Reemplazando en (1) tenemos:

V60HzF-N = 103 kV

Con este valor se obtiene de la Gráfica No. 1 de esta memoria la distancia mínima

en aire, correspondiente al voltaje de soporte en húmedo, para aisladores estándar

de diámetro 254 mm (10") y paso de 146 mm por campana.

Dist. mín. en aire para sobrevoltaje de baja frecuencia. = 45 cm

Distancias mínimas en aire para sobrevoltajes de baja frecuencia, por medio de las

cuales se obtienen las distancias de separación conductor-estructura en condición

de viento máximo, considerando el ángulo de balanceo por deflexión.



5.2. AISLAMIENTO FRENTE A DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

A continuación se realiza el cálculo de sobrevoltaje producido por descargas

atmosféricas y de su distancia de aislamiento en aire, en función de la resistencia

de puesta a tierra de la estructura o estructuras que reciben la descarga.

Dado el carácter probabilístico del comportamiento de las magnitudes de las

descargas atmosféricas y su caída sobre la línea, para la determinación de los

niveles de sobrevoltaje debido a las descargas atmosféricas, se tienen en cuenta los

modelos de estructuras, longitudes de vanos, niveles de tensión y niveles

ceráunicos, con los cuales, mediante la definición y determinación de los

parámetros de las líneas y con la longitud de los aisladores apropiados, en función

de la resistencia de puesta a tierra, se definirá la tensión de flameo para las

descargas atmosféricas y garantizando un nivel de salidas aceptable (menos de

cinco (5) salidas por 100 km/año) para la línea.

5.2.1. Determinación de la distancia de fuga

Por estar localizada la línea de transmisión Ocoa – Guamal-San Fernando en áreas

sin industrias, una baja densidad de casas, sometida a vientos y/o lluvias frecuentes,

áreas agrícolas y montañosas, se consideró un nivel liviano de contaminación

ambiental, al que le corresponde una “distancia nominal de fuga específica mínima

(Kf)” de 16 mm por kV (ver Tabla 1 – Recommended Creepage Distances de la

norma IEC 71-2, 1996-12).

Dfmin = Kf * VF-Fmáx * Kd, donde:

Dfmin = Distancia de fuga mínima nominal en mm

Kf = Distancia de fuga específica mínima nominal

KF = 16 mm/kV

VF-Fmáx = 123 kV

Kd = Factor de corrección que depende del diámetro de las aletas de

los aisladores



Para la constante Kd, se toma como referencia un aislador tipo estándar de

254 mm (10”) de diámetro y 146 mm (5¾”) de paso.

Entonces:

Kd = 1 (para diámetro de aisladores menor a 300 mm)

Reemplazando:

Dfmin = 1968 mm

5.2.2. Cálculo del voltaje crítico de flameo inverso

Para el caso del nivel de contaminación liviano, con una distancia de fuga mínima

calculada de 1968 mm, teniendo presente que la distancia de fuga de un aislador

tipo estándar es de 292 mm, le corresponde una cantidad de aisladores de

7 unidades, así:

Por lo tanto:

W = longitud del aislamiento, correspondiente a 7 aisladores. Sin embargo,

para ser consecuentes con el aislamiento comúnmente utilizado para este tipo de

líneas de transmisión, se dejan 8 unidades aisladoras.

W = 0,146 m x 8 = 1,1680 m



A continuación se presenta el cálculo del voltaje crítico de flameo inverso CFO (por

sus siglas en ingles) con la longitud de aislamiento calculada anteriormente:

CFO = (400 + 710/t 0.75) x W, donde:

CFO = voltaje de flameo en kV

t = tiempo de flameo en µs

t = 6 µs

W = longitud del aislamiento

W = 1,1680 m

Por lo tanto, el valor del voltaje crítico de flameo, CFO es:

CFO = 684 kV

A continuación se presenta el número de unidades de aisladores para suspensión y

el CFO (Voltaje crítico de flameo) normalizado, junto con la distancia de fuga total:

N° DE UNIDADES (Aislador de 292 mm de

dist. de fuga y 146 mm de paso)

para cadenas de suspensión

CFO*

(kV)

Distancia

de fuga

(mm)

8 780 2336

*CFO: Voltaje impulsivo de flameo con una probabilidad del 50%

Acorde con norma ANSI C29.1

Como se observa en la anterior Tabla, se tiene una distancia de fuga mayor a la

mínima requerida para cada caso, según lo mostrado en el Numeral 5.2.1.

Para determinar la longitud del espacio en aire se realizaron los cálculos partiendo

de la distancia de paso de cada unidad aisladora y el número de aisladores por

cadena, antes indicadas. Considerando una distancia de paso de 146 mm por cada

unidad, se tiene:



Distancia de arco en seco con aislador de

146 mm de paso

(mm)

1168

Finalmente, se anota que para las cadenas de retención se dejan 9 unidades

aisladoras, ya que para ellas se acostumbra dejar un aislador de más, con el fin de

prever acercamientos debidos a la curvatura que puede presentarse en las mismas

por el peso en su posición horizontal.



6. DISTANCIAS DE SEGURIDAD

Las distancias de seguridad son de obligatoria aplicación entre conductores de

líneas de transmisión y cualquier otro tipo de infraestructura o elemento en

cercanías de la línea como redes, edificaciones o estructuras en general, pasos

vehiculares o peatonales, nivel del terreno, etc. Así, se deberán respetar las

distancias de seguridad horizontal y vertical a mantener entre conductores de las

líneas y elementos físicos existentes a lo largo de su trazado, según lo establecido

en el ARTÍCULO 13°. “DISTANCIAS DE SEGURIDAD” del Reglamento Técnico de

Instalaciones Eléctricas - RETIE.

Distancias mínimas de seguridad en metros para

diferentes lugares y situaciones

Tipo de área o cruce [m]

Distancia mínima al suelo en cruces

con carreteras, calles, callejones, zonas

peatonales, áreas sujetas a tráfico

vehicular

6.1

Distancia mínima al suelo desde líneas

que recorren avenidas, carreteras y

calles

6.1

Distancia mínima al suelo en bosques,

arbustos, áreas cultivadas, pastos,

huertos, etc.

6.1

Distancia mínima al suelo en cruces

con ferrocarriles sin electrificar o

funiculares.

8.6

Distancia vertical en cruce con ríos,

canales navegables o flotantes

adecuados para embarcaciones con

altura superior a 2 m y menor de 7m

10.6



Distancias mínimas de seguridad en metros para

diferentes lugares y situaciones

Tipo de área o cruce [m]

Distancia vertical en cruce con ríos,

canales navegables o flotantes no

adecuados para embarcaciones con

altura mayor a 2 m

5.6

Distancia vertical al piso en cruce por

campos deportivos abiertos 12

Distancia horizontal en cruce por

campos deportivos abiertos 7

Tabla 1. Distancias de seguridad a sitios en el terreno

Distancias verticales mínimas con líneas de diferentes

tensiones en metros

Descripción [m]

Líneas eléctricas a 115/110 kV 2.2

Líneas eléctricas a 66 kV 1.9

Líneas eléctricas a 57,5 kV 1.8

Líneas eléctricas a 44/34,5/33 kV 1.7

Líneas eléctricas a 13,8/13,2/11,4/7,6 kV 1.7

Líneas eléctricas <1 kV 1.7

Líneas de Comunicaciones 2.3

Tabla 2. Distancias de seguridad en cruce con líneas de diferentes tensiones



7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

De acuerdo con los resultados obtenidos, se recomienda adoptar los siguientes

parámetros de diseño electromecánico:

Para sobrevoltajes por baja frecuencia:

V 60Hz = 450 mm

Distancias mínimas en aire para sobrevoltajes de baja frecuencia, por medio de las

cuales se obtienen las distancias de separación conductor – estructura, en

condiciones de viento máximo, considerando el ángulo de balanceo por deflexión.

Para descargas atmosféricas:

Distancia de arco en seco

(mm)

Distancia de fuga

(mm)

1168 2336

Longitud del espacio en aire para sobrevoltajes por descargas atmosféricas, por

medio de la cual se obtiene la distancia conductor – estructura sin viento y

considerando el ángulo de balanceo por deflexión.

En la siguiente tabla se muestra un resumen de los parámetros obtenidos, los

cuales deben ser cumplidos tanto por las cadenas de aisladores como por los

aisladores tipo Line Post:



RESUMEN DE PARÁMETROS

Nro. Aisl.

en

Suspensión

Nro. Aisl.

en

Retención

CFO

(kV)

Voltaje a

frecuencia

industrial (kV)

Distancia de

aislamiento para

baja frecuencia

(mm)

Distancia de arco

en seco para

descargas

atmosféricas

(mm)

Distancia

de fuga

(mm)

8 9 780 103 450 1168 2336

En el “750-LT1-007 - Plano de verificación de distancias eléctricas”, se muestran las

distancias eléctricas para las estructuras de suspensión y retención de las líneas

asociadas al proyecto.



8. DOCUMENTACIÓN DE REFERENCIA

1- Principles of Insulation Design For Overhead Transmission Line.

NGK Technical Note No. TN – 680

April 26, 1968

2- Estimating Lighting Performance of Transmission Lines.

J.M. Clayton, F-S. Young, IEEE Transactions, Pág. 1102 Nov./64

3- International Electrotechnical Commission

- Publication 71-1 Insulation Coordination – Part 1: Definitions, principles and

rules 1993-12

- Publication 71-2 Insulation Coordination – Part 2: Application Guide 1996 -

12

4- Subestaciones de alta y extra alta tensión

Mejía Villegas S.A. Ingenieros Consultores

HMV Ingenieros

Segunda Edición

2003

5- Transmission Line Reference Book

34.5 kV and Above

Second Edition

Electric Power Research Institute EPRI

3412 Hillview, Palo Alto, California

1982

6- RETIE – Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas

Resolución No. 1294 Agosto 06 de 2008



ANEXO 1. MAPA DE TEMPERATURA MÁXIMA PROMEDIO DE LA REPÚBLICA DE

COLOMBIA



Zona del proyecto



ANEXO 2. MAPA DE HUMEDAD RELATIVA DE LA REPÚBLICA DE COLOMBIA



Zona del proyecto



ANEXO 3. MAPA DE NIVELES CERÁUNICOS DE LA REPÚBLICA DE COLOMBIA



Mapa de niveles ceráunicos para Colombia del Anexo A.5, de la Norma Técnica Colombiana

NTC 4552-1

Zona del proyecto

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