PresentacióN Queretaro 1

Ing. Roberto Saucedo

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Dimensionamiento de subestaciones eléctricas

ResumenEn este documento, se da a conocer como se selecciona la especificación del aislamiento externo, y como se determinan y definen las distancias básicas y de seguridad que se deben tener en una subestación eléctrica,


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Algunas definiciones.

Conductor eléctrico. Conductor eléctrico. Se dice que Se dice que es un conductor eléctrico, aquel es un conductor eléctrico, aquel material que permite pasar a material que permite pasar a través de él, cargas eléctricas.través de él, cargas eléctricas.

Aislador eléctrico. Contrario a lo . Contrario a lo indicado anteriormente, se dice que indicado anteriormente, se dice que es un aislador eléctrico aquel es un aislador eléctrico aquel material que no permite el paso de material que no permite el paso de cargas eléctricas a través de el. cargas eléctricas a través de el. Por lo general, todos los metales Por lo general, todos los metales son buenos conductores eléctricos.son buenos conductores eléctricos.


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Algunas definiciones.

Aislamiento eléctricoAislamiento eléctrico. Aplicado a . Aplicado a sistemas eléctricos, se puede definir sistemas eléctricos, se puede definir aislamiento, a todo aquel material, aislamiento, a todo aquel material, sólido o gaseoso que impide el paso sólido o gaseoso que impide el paso de la corriente eléctrica al aplicarle de la corriente eléctrica al aplicarle una tensión eléctrica. Un aislamiento, una tensión eléctrica. Un aislamiento, tiene la capacidad de soportar lo tiene la capacidad de soportar lo esfuerzos dieléctricos que se le esfuerzos dieléctricos que se le apliquen, sin que sufra deterioro apliquen, sin que sufra deterioro

algunoalguno..


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Algunas definiciones

En sistemas eléctricos se aplican y En sistemas eléctricos se aplican y conocen dos grandes grupos de conocen dos grandes grupos de aislamientos:aislamientos:

1.1. los aislamientos internos instalados los aislamientos internos instalados en equipos y aparatos eléctricos, yen equipos y aparatos eléctricos, y

2. los aislamientos externos instalados en los conductores o accesorios que se usan en las instalaciones eléctricas visibles, ocultas, a la intemperie o de forma subterránea.


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Subestación eléctrica. Subestación eléctrica. Una Una instalación compuesta de instalación compuesta de dispositivos y equipos eléctricos, dispositivos y equipos eléctricos, donde convergen líneas de donde convergen líneas de Transmisión, de sub transmisión y Transmisión, de sub transmisión y distribución y cuyo propósito es distribución y cuyo propósito es funcionar como punto de funcionar como punto de conmutación o de transformación de conmutación o de transformación de algún o algunos de los parámetros algún o algunos de los parámetros de energía eléctrica, se define como de energía eléctrica, se define como subestación eléctrica. A este tipo de subestación eléctrica. A este tipo de instalaciones se les denomina instalaciones se les denomina también estaciones transformadoras.también estaciones transformadoras.


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Voltaje Nominal (Rated Voltaje).Voltaje Nominal (Rated Voltaje). - - Es el Es el voltaje para el cual un equipo esta voltaje para el cual un equipo esta diseñado, al cual están referidas sus diseñado, al cual están referidas sus características. Voltaje máximo de características. Voltaje máximo de operación permitido. operación permitido.

Voltaje Nominal (Voltage Rating). - Es el voltaje r.m.s. máximo, a la frecuencia del sistema, que se puede aplicar a un equipo.

Voltaje Máximo de Diseño del Equipo.- Es el valor de tensión máximo entre fases para el cual está diseñado el equipo con relación a su aislamiento, como para otras características que se refiere a ésta tensión en las normas relativas al equipo.


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Sobretensión.-Sobretensión.- Cualquier valor de tensión Cualquier valor de tensión (en función del tiempo entre una fase (en función del tiempo entre una fase y tierra o entre fases que tenga un y tierra o entre fases que tenga un valor cresta o valores que lo excedan), valor cresta o valores que lo excedan), obtenido de la tensión máxima de obtenido de la tensión máxima de diseño del equipo diseño del equipo

Voltaje Que Soporta Un Aislamiento.- Es el valor del voltaje más alto que soporta un aislamiento.

Nivel Básico De Aislamiento (NBAI, BIL).- Es el valor cresta de una onda normalizada de prueba al impulso (1.5 x 40 µs ó 1.2 x 50 µs), el cual se puede aplicar a un sistema sin causar daño en los aislamientos. El NBAI es independiente del voltaje nominal del sistema.


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Sobretensión Por RayoSobretensión Por Rayo.-.- Para una Para una sobre tensión de fase a tierra o de sobre tensión de fase a tierra o de fase a fase en un punto dado del fase a fase en un punto dado del sistema, debido a una descarga sistema, debido a una descarga atmosférica (rayo). La forma como atmosférica (rayo). La forma como puede referirse para los propósitos puede referirse para los propósitos de coordinación de aislamiento, es de coordinación de aislamiento, es semejante a aquella del impulso semejante a aquella del impulso normalizado usado para las pruebas normalizado usado para las pruebas de impulso por rayo. Tales de impulso por rayo. Tales tensiones son por lo general tensiones son por lo general unidireccionales y de muy corta unidireccionales y de muy corta duración. duración.


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Sobre tensiones por ManiobraSobre tensiones por Maniobra.-.- Para una Para una sobre tensión de una fase a tierra o sobre tensión de una fase a tierra o de fase a fase en un punto dado del de fase a fase en un punto dado del sistema, debido a una operación sistema, debido a una operación específica de maniobra de específica de maniobra de Interruptores, falla u otra causa. Tales Interruptores, falla u otra causa. Tales Sobretensiones tienen por lo general Sobretensiones tienen por lo general un alto amortiguamiento y corta un alto amortiguamiento y corta duración (la onda normalizada es de duración (la onda normalizada es de 250/2,500 Microsegundos). 250/2,500 Microsegundos).


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Confiabilidad del servicio eléctrico

Durante la operación de los sistemas Durante la operación de los sistemas eléctricos, se debe tratar de que el eléctricos, se debe tratar de que el servicio tenga la calidad requerida servicio tenga la calidad requerida para los usuarios, debiendo para los usuarios, debiendo básicamente cumplir con:básicamente cumplir con:

Mantener la frecuencia dentro de los Mantener la frecuencia dentro de los límites establecidos por la Ley y que límites establecidos por la Ley y que son de ± 0,8%. son de ± 0,8%.

Tener un mínimo de interrupciones en Tener un mínimo de interrupciones en el servicio.el servicio.

Mantener lo más limpio posible de Mantener lo más limpio posible de contaminación de armónicas el sistema contaminación de armónicas el sistema de suministro.de suministro.


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Con relación al número de interrupciones en el servicio, ¿Que índice de confiabilidad debe tener el sistema eléctrico?. Este índice debe mantenerse lo más alto posible no importa la zona que alimente el sistema, es decir, si es zona “limpia” (sin contaminación) o una zona contaminada. las instalaciones.


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La pregunta anterior se debe contestar, en virtud de que la robustez mecánica y eléctrica del aislamiento de los equipos de las Plantas generadoras, de las subestaciones eléctricas, de las líneas de transmisión y de distribución y en general de todo el sistema eléctrico, dependerá de la zona que se alimente o de la zona en que están instaladas.


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Diseño de subestaciones eléctricas

Enfocando el tema a la subestaciones Enfocando el tema a la subestaciones eléctricas, cuando se diseña una S.E., eléctricas, cuando se diseña una S.E., es conveniente que el ingeniero se es conveniente que el ingeniero se pregunte ¿en qué tipo de sistema se pregunte ¿en qué tipo de sistema se va a conectar la subestación que se va a conectar la subestación que se va a diseñar?. Este punto se refiere al va a diseñar?. Este punto se refiere al tipo de sistema ya existente, si es tipo de sistema ya existente, si es sistema radial, si es sistema en anillo sistema radial, si es sistema en anillo o es sistema tipo red o combinación de o es sistema tipo red o combinación de algunas de ellos.algunas de ellos.


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Dependiendo del tipo de sistema se Dependiendo del tipo de sistema se deberá escoger el material y equipo deberá escoger el material y equipo adecuado. adecuado.

¿Qué tan continuo se desea el servicio?. No obstante, que la respuesta a esta pregunta se contestaría dando el valor del índice de confiabilidad indicado anteriormente, se hace para resaltar los tipos de protección que se deberán escoger en la S.E., tanto desde el punto de vista físico como eléctrico.


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Desde el punto de vista físico, que las instalaciones estén resguardadas de contactos accidentales de personas ajenas o idóneas; desde el punto de vista eléctrico seleccionar la protección técnico económica más óptima, (protección de: sobrecorriente, diferencial por temperatura, Buchholz etc.).


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En cada región se tienen características En cada región se tienen características muy particulares de contaminación que muy particulares de contaminación que hay que considerar al momento de hay que considerar al momento de diseñar la subestación eléctrica, ya diseñar la subestación eléctrica, ya que la confiabilidad de la instalación que la confiabilidad de la instalación interviene desde luego la confiabilidad interviene desde luego la confiabilidad de cada uno de los equipos que la de cada uno de los equipos que la componen (Transformador, componen (Transformador, interruptores, Apartarrayos, interruptores, Apartarrayos, Aislamiento externo etcAislamiento externo etc


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A nivel de sistema, existen estadísticas A nivel de sistema, existen estadísticas de fallas de cada uno de los de fallas de cada uno de los componentes y exceptuando a las componentes y exceptuando a las plantas generadoras, se puede citar plantas generadoras, se puede citar que en general las partes más que en general las partes más “débiles” de los sistemas son las líneas “débiles” de los sistemas son las líneas de transmisión y subestaciones de transmisión y subestaciones

eléctricaseléctricas..


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Para poder dar las dimensiones a una S.E. hay que considerar prácticamente 4 distancias básicas que son la que determinan las separaciones entre los elementos, equipos y conductores que componen las S.E. A las cuales se les agregan las distancias de trabajo:


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a) Distancias a Tierra.

b) Distancias Entre Fases.

c) Distancia de Fuga de los

Aislamientos.

d) Distancias Entre Equipos o

Secciones.

e) A las distancias anteriores se

les agregan las distancias de

trabajo.


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El concepto de la tensión crítica de Flameo

El valor de la tensión crítica de flameo (V.C.F) se determina experimentalmente en laboratorio utilizando generadores de impulso mediante los cuales se pueden aplicar voltajes similares a los presentados por descargas atmosféricas o por maniobras en los sistemas de potencia


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Histograma de distribución de voltajes

20 40 60 80 100 80 60 40

N°

de

vece

s q

ue

flam

ea(f

recu

enci

a d

e oc

urr

enci

a)


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Tensión en kV

% de probabilidad

50 %

VCF


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Distancias de diseño.

Por investigaciones realizadas, se llegó al

establecimiento de las distancias de diseño

más convenientes de fase a tierra y de fase

a fase basadas en configuraciones propias

de electrodos, llegando a identificar 3 tipos

principales de distancias en aire.

a) Distancia entre conductores.

b) Distancia de aislamiento entre

conductores y equipos.

c) Distancia entre aisladores y aparatos.


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Las configuraciones entre electrodos

que se manejan en estos casos y que

más se aproximan a la realidad son:

a) Anillo - Anillo..

b) Punta - Punta.

c) Punta – Placa.

d) Conductor - Estructura.


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La relación entre el NBA (BIL) y el voltaje critico de flameo (V.C.F.) se indica en las expresiones matemáticas siguientes:

Por impulso o rayo:

--------- (1)

Donde:

VCF = Voltaje crítica de Flameo por descarga atmosférica o rayo

0.961NBAIVCF


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Por maniobras en el sistema suministrador

--------- (2) Donde:

V.C.S = Voltaje de flameo, por

disturbio provocado por

maniobras en el sistema del suministrador.

922,0NBAS.S.C.V


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Para otras presiones barométricas, otra temperatura y otras condiciones de humedad se hace necesario corregir estos valores, empleando la siguiente ecuación:

h

ESTÁNDAR

ESTÁNDARNO K

.F.C.V.F.C.V

Siendo en la ecuación anterior:


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V.C.FNO ESTÁNDAR

Tensión crítica de flameo por impulso por

rayo, a diferentes condiciones de

temperatura, de humedad y de presión

barométricas.

V.C.F.ESTÁNDAR.

Tensión crítica de flameo por impulso por rayo, en condiciones estándar

Kh = Factor de corrección por humedad atmosférica.


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= Factor de corrección por densidad relativa del aire, el cual puede ser

determinado en la tabla 6 del apéndice, o mediante la ecuación siguiente:

T273b92,3

Siendo:

b = Presión atmosférica en cm de mercurioT = Temperatura ambiente en °C


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Distancias de diseño.

Son las distancias de fase a tierra, (de no flameo) distancia entre fases (entre centros de conductores) y distancias de seguridad.

Las distancias de fase a tierra y entre

fases se calcularán sobre el nivel del

mar en condiciones estándar de presión

y temperatura.


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Cálculo de las distancias de fase a tierra

Para voltajes hasta 230 kV. La

ecuación mediante la cual se determina

la distancia de fase a tierra en sistemas

hasta de 230 kV es:

m550

.F.C.Vd


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Cálculo de las distancias de fase a fase

Para voltajes hasta 230 kV las

distancias de fase a fase se determinan

mediante la siguiente ecuación:

m29,520.F.C.V

d ff


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Cálculo de las distancias de fase a tierra

Para voltajes mayores de 230 kV. Para

sistemas cuyas tensiones son mayores

de 230 kV. la ecuación para determinar

la distancia de fase a tierra es:

mS.C.VK4003

)S.C.V(8d

2

mK500S.C.V

d 6,0

2


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Cálculo de las distancias de fase a fase

El cálculo de la distancia de fase a fase

para sistemas de voltajes mayores de

230 kV se determina mediante las

ecuaciones siguientes:

mS.C.V8,1d 6,1

ff

mS.C.V0,2d 7,1

ff

Estando V.C.S. en megavolt


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Cálculo de las distancias de fuga en aislamientos.

Se entenderá como distancia de fuga de un aislamiento externo, como la distancia en mm o cm que tendría el perfil del contorno del aislador, si este pudiera extenderse longitudinalmente.

Efectos ambientales. Se entenderá por efectos ambientales, a los producidos por la contaminación ambiental, sobre los aislamientos externos, a los cuales afectan durante su operación normal, a la frecuencia y voltaje nominales del sistema


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En la tabla N° 6 del apéndice, se dan a

conocer las recomendaciones de la

Comisión Internacional de Electrotécnica

para identificar las características

contaminantes de una región y

establecer las distancias de fuga

correspondientes.


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Mediante la ecuación siguiente, se puede

calcular la distancia de fuga de los

aislamientos:

cmD3

kVd ff

maxf

Siendo:

df = Distancia de fuga del aislamiento

externo en cm

kVmax = Voltaje máximo de diseño en kV

Dff = Distancia de fuga recomendada en

cm


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Cálculo de las distancias entre barras.

Para el caso de las distancias entre

centros de fases en las barras

colectoras de la S.E. se calculan para

dos condiciones:

1) Subestaciones con barras y/o

conexiones rígidas.

2) Subestaciones con barras

colectoras flexibles (cables).


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En ambos casos, estas distancias se obtienen de las distancias calculadas de fase a tierra, agregando a estas distancias el diámetro de las barras colectoras, y se deberá considerar el aspecto Electrodinámico por efecto de corrientes de corto circuito, las distancias mínimas para mantenimiento dimensiones generales de los equipos etc.

Tomando en consideración lo anterior, en la práctica se han determinado las distancias indicadas en la tabla n° 8 del apéndice


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Voltaje nominal Voltaje nominal de operaciónde operación de de

las subestaciones las subestaciones EléctricasEléctricas

(volaje entre fases(volaje entre fasesEn kV)En kV)

Distancias entres centros Distancias entres centros de fasesde fases

NN° de veces la distancia ° de veces la distancia mínima de fase a tierra a mínima de fase a tierra a la altura correspondientela altura correspondiente

Barras Barras rígidasrígidas

Barras Barras flexiblesflexibles

2,4 o menor2,4 o menor 1,71,7 ----------------34,5 a 11534,5 a 115 1,61,6 1,8 a 2,01,8 a 2,0

123,0123,0 1,51,5 1,8 a 2,01,8 a 2,0400,0400,0 1,81,8 2,0 a 2,252,0 a 2,25


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Cálculo de la altura de los equipos.

La altura de la parte viva o energizada de los equipos tales como los transformadores, TC, TP, interruptores, etc., y en general de los elementos que integran una S.E. no deberá ser menor a 3 m y debe calcularse de acuerdo a la ecuación (14) en m, en instalaciones cuyos voltajes nominales sean mayores a 69kV y a 1000 m sobre el nivel del mar.


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He = 2.30 + 0.0105 Em m ---- (14)

Donde:

He = Altura de la parte energizada de los quipos o elementos sobre el nivel del suelo

Em = Tensión máxima de diseño de la subestación eléctrica


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La altura de las L.T. a la llegada de la S.E. no deberá ser menor a 6 m y se calcula con la fórmula:

H L.T. · 5 + 0.006 Em m -------- (15)

Donde:

H L.T. = Altura mínima de llegada a la

S. E. de la L.T. en m

Em = tensión máxima de diseño en kV.


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Cálculo de las distancias de seguridad.

La Comisión Internacional de Electrotecnia en su reporte del comité de estudios Nº 23 recomienda la adopción de distancias de seguridad en las S.E. para el personal que opera y que da mantenimiento a las instalaciones, así también, en nuestro País, tomando como base las distancias mínimas determinadas con las ecuaciones anteriores se establecen en la Norma Oficial Mexicana de instalaciones eléctricas (utilización) vigente las distancias mínimas de fase a tierra, entre fases, etc., que se deben de adoptar y respetar en la S.E.


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El comité de estudios número 23, de la Comisión Internacional de Electrotecnia recomienda que en la determinación de las distancias de seguridad se deben considerar:

a) Las maniobras de los operadores en cualquier punto de la instalación b) Circulación del personal en la instalación. c) Circulación de vehículos en la S.E.


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Las distancias mencionadas se adoptan tomando como base que las partes energizadas deben quedar fuera del alcance del personal y para lo cual se recomienda se tomen las siguientes recomendaciones:


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a) Las partes energizadas de los

equipos y elementos que componen la

S.E., deben quedar fuera del alcance del

personal usando distancias en las zonas

de trabajo y circulación suficientemente

grandes para evitar contactos eléctricos.

b) Las partes energizadas se pueden hacer inaccesibles usando barreras de protección para aislar físicamente a los elementos o equipos y éstas barreras de protección deberán tener una altura no inferior a 2,10 m


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c)Las partes energizadas pueden encapsularse o encerrarse en gabinetes o instalaciones especialmente idóneas para ello.

d) El uso de carteles que marquen el peligro de partes energizadas en aquellos casos en el que no se puedan aumentar las distancias calculadas de acuerdo con las fórmulas anteriormente citadas.


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Las distancias de seguridad quedan entonces constituidas por:

1) La distancia mínima de fase a tierra.

2) Una distancia adicional que depende de las dimensiones adoptadas en las zonas de circulación y de trabajo para mantenimiento, así como de lo alto de las personas que trabajan en las S.E.

PresentacióN Queretaro 1

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