Diseno de una subestacion

DISEÑO DE UNA SUBESTACION EN 138 Kv

SANTIAGO JARAMILLO V. 8vo ELÉCTRICA JUNIO 2010

RELES DIFERENCIALES

CARACTERISTICAS DE LA SUBESTACION “SEP II”

DISEÑO DE UNA SUBESTACION DISEÑO DE UNA SUBESTACION U.P.S. U.P.S.

La subestación “SEP II” está diseñada como subestación de seccionamiento y transformación. Los equipos en 138 Kv son aislados en aire, la parte de 4 kV es el voltaje de generación que a su vez se deriva para el servicio de estación por un transformador de 300 Kva de 4.0/ 0,40 v de donde se contiene en cabinas tipo interior con interruptores de vacío. Los transformadores de potencia son de 10/12 MVA enfriado por aire forzado por aire (FA).

OBJETIVOS DEL DISEÑO

El objetivo es proporcionar máxima confiabilidad, flexibilidad continuidad del servicio , alta seguridad operacional y durabilidad de manera que satisfagan las necesidades del sistema.

RELES DIFERENCIALES


CONSIDERACIONES DEL DISEÑO

Depende de Factores como:

- nivel de voltaje - capacidad de carga - consideraciones ambientales - limitaciones de espacio en el terreno.

a) Aspectos económicos b) Importancia de la subestación en el sistema eléctrico de potencia al que está sirviendo. c) Confiabilidad o sea alta probabilidad de ejecutar todas las funciones previstas. d) Costos bajos en la operación y en el mantenimiento.

Para el sistema de barras de una subestación, se la debe configurar tomando en cuenta :

RELES DIFERENCIALES


ESTUDIO DE LA COORDINACION DEL AISLAMIENTO

Comprende la selección de la soportabilidad o resistencia eléctrica de un equipo y su aplicación en relación con las tensiones que pueden aparecer en el sistema en el cual el equipo será utilizado, teniendo en cuenta las características de los dispositivos de protección disponibles,

La selección de niveles de aislamiento afecta el costo en forma considerable . El descenso de un nivel básico de aislamiento (BIL) puede reducir el costo del equipo electrico en importantes miles de dolares

COORDINACION DEL AISLAMIENTO

RELES DIFERENCIALES


Nivel 1: También llamado nivel alto. Se utiliza en los aislamientos internos,(sin contacto con el aire Nivel 2: También llamado medio o de seguridad, que están en contacto con el aire. Este nivel se adecua de acuerdo con la altura sobre el nivel del mar de la instalación y se utiliza en todos los aisladores de aparatos, barrajes y pasamuros de la subestación que están en contacto con el aire. Nivel 3: También llamado bajo o de protección. Esta constituido por el nivel de operación de los explosores de los pararrayos de protección.

COORDINACION DEL AISLAMIENTO

niveles de sobretensión considerados en la coordinación de aislamiento

RELES DIFERENCIALES


ESTUDIO DE LA COORDINACION DEL AISLAMIENTO

El voltaje máximo del Sistema Nacional de transmisión, por regulación del CONELEC, no puede ser superior al 5% del valor nominal , para el caso de 138 kv, el valor máximo será de 145 Kv La norma IEC 60071-1 establece que solamente dos clases de sobretensiones son suficientes para caracterizar el nivel de aislamiento del equipo cuando está en el rango de 1 a 250 Kv . En la misma norma se asignan los valores de 450 – 550 y 650 kV pico para equipo de 145 kV, se ha elegido 550 kV pico como nivel de impulso que los equipos deben resistir en el sitio de instalación.

La norma IEC 60071-2 establece la siguiente expresión para corregir el valor de tensión de impulso por altura:

−

= 8150

1000Hm

a eK


DETERMINACION DEL AISLAMIENTO

−

= 8150

1000Hm

a eK

Ka = el factor de corrección m = 1,0 para impulso y frecuencia industrial H = altura de la instalación sobre el nivel del mar (m)

Ka = 1,222902332 para 2.640 m

Los equipos deberán resistir

1,222902332 x 550 kv pico 662.03 kv pico

a nivel del mar para soportar 550 kVpico en la altura de instalación y hasta los 3500 msnm aproximadamente.


El valor normalizado más próximo es 750 Kv pico para el impulso y la correspondiente onda de frecuencia industrial de corta duración será 325 kVrms.

DETERMINACION DEL AISLAMIENTO Tabla 5: niveles de aislamiento normalizado por IEC.

SELECCIÓN DE LA DISTANCIA DE FUGA

Pruebas de un aislador en un laboratorio de alta tensión


SELECCIÓN DE LA DISTANCIA DE FUGA Tabla 6: distancias mínimas entre partes energizadas F-F normalizado por IEC.

Según la norma IEC 60071-2 establece las distancias mínimas entre partes energizadas y partes conectadas al potencial de tierra;



Así, para 750 kVpico una distancia de seguridad de 155 cm es suficiente tanto para un arreglo estructura-conductor o para estructura-varilla tanto para fase-neutro como para fase-fase.

Distancias mínimas fase-tierra y fase-fase

En el diseño de la subestación, el arreglo de equipo no solo mantiene una distancia superior a la de norma sino que permite la circulación de equipo motorizado necesario para las labores de montaje, mantenimiento y eventuales retiros.

RELES DIFERENCIALES


La subestación está ubicada en un sitio que no es densamente poblado, pero a futuro se ha considerado la construcción de una carretera en donde el polvo, el smog de la maquinaria, ensuciará los aisladores disminuyendo su capacidad de aislamiento y aumentando la probabilidad de que se produzcan corrientes de fuga.


Según la norma IEC 60815 que establece 2,50 cm/kV, tomando el máximo voltaje fase-fase

Así se tiene que para 138 kV la distancia será 345 cm (2.5 x 138 kv) y 10 cm para 4 kV.

min 345 cm

RELES DIFERENCIALES


Se entiende como distancia mínima de seguridad aquellos espacios que se deben conservar en las subestaciones para que el personal pueda circular y efectuar maniobras sin que exista riesgo para sus vidas.

DISTANCIAS DE SEGURIDAD

Las distancias mínimas de seguridad se pueden expresar con las siguientes relaciones:

D = d + 0.9 H = d + 2.25

D, distancia horizontal en metros que se debe respetar en todas las zonas de circulación. H, distancia vertical en metros que debe respetarse en todas las zonas de circulación. Nunca debe ser menor de 3 metros. d, es la distancia mínima de fase a tierra correspondiente al BIL de la zona


DISTANCIAS DE SEGURIDAD

DISTANCIA MINIMA PARA VEHICULOS

D = (d+0.7) + 0.9 = (2.5+0.7) + 0.9 = 4.1m H =(d+0.7) + 2.25 =(2.5+0.7) + 2.25 = 5.15m

DISTANCIA MINIMA PARA AREA DE TRABAJO

D = (d+1.75) + 0.9 = (2.5+1.75) + 0.9 = 5.15m H =(d+1.25) + 2.25 =(2.5+1.25) + 2.25 = 6 m


DISTANCIAS DE DISEÑO

Se refiere al dimensionamiento de las distancias entre partes vivas que se requieren en instalaciones convencionales.

La determinación de estas dimensiones se efectúa mediante el calculo de las distancias dieléctricas entre las partes vivas del equipo y entre estas y las estructuras, muros, rejas y el suelo.

1 Altura de los equipos sobre el nivel del suelo. 2 Altura de las barras colectoras sobre el suelo. 3 Altura de remate de las líneas de transmisión que llegan a la subestación.


ALTURA DE LOS EQUIPOS SOBRE EL NIVEL DEL SUELO

hs = 2.5 + 0.0105*Um hs = 2.30 + 0.0105*138kV = 3.749 m

La altura mínima hs, de las partes vivas sobre el nivel del suelo en ningún caso debe ser inferior a 3 metros, si no se encuentran aisladas por barreras de protección. La altura mínima de la base de los aisladores que soportan partes vivas no debe ser menor de 2.25 metros.

La altura mínima de las partes vivas de cualquier equipo se calcula de acuerdo con la siguiente expresión:

hs


La expresión que proporciona la altura de las barras colectoras (he), considerando la sensación de campo eléctrico es la siguiente:

he= 5.0 + 0.0125 x Um he = 5.0 + 0.0125 x 138kV he = 6.72 m

La altura de las barras sobre el nivel del suelo debe considerar la posibilidad de que al pasar una persona por debajo de las barras, esta reciba la sensación del campo eléctrico.

ALTURA DE LAS BARRAS COLECTORAS SOBRE EL NIVEL DEL SUELO

he


he= 5.0 + 0.006 x Um he = 5.0 + 0.006 x 138kV he = 5.82 m

Los conductores de las líneas de transmisión que llegan o salen de una subestación no deben rematar a una altura hi inferior a 6m. Dicha altura se puede obtener de la relación:

ALTURA DE REMATE DE LAS LINEAS DE TRANSMISION

he

he

RELES DIFERENCIALES

CONSTRUCCION DE LA MALLA A TIERRA

RELES DIFERENCIALES


La malla de tierra de una subestación permite brindar seguridad al personal ante la eventualidad de una falla fase a tierra además de preservar la integridad de los equipos y de proporcionar la referencia de potencial cero para toda la instalación.

Introducción.-

La seguridad de personal, especialmente durante el desarrollo de fallas a tierra, se obtiene al asegurar que las diferencias de potencial a las que se someta al cuerpo humano, al caminar en la subestación o al tocar un elemento metálico, sean sustancialmente menores que aquellas que se consideran peligrosas para la vida.

U.P.S. U.P.S.

• Tensión Permisible de Paso. • Tensión Permisible de contacto. • Configuración de la malla. • Resistividad del terreno • Tiempo máximo de despeje de la falla. • Conductor de la malla. • Profundidad de instalación de la malla.

DISEÑO DE UNA MALLA DE PUESTA A TIERRA

El diseño de una malla a tierra está afectado por las siguientes variables:

DISEÑO DE UNA SUBESTACION DISEÑO DE UNA SUBESTACION

U.P.S. U.P.S.

• Tensión Permisible de Paso.

• Tensión Permisible de contacto.

L

IKKE isP

ρ..=

PE Tensión de paso real en voltios

Ks Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la profundidad y del espaciamiento de la malla

Ki Coeficiente de irregularidad del terreno

ρ Resistividad del suelo (Ω-m)

I Corriente máxima de falla (Amp)

L Longitud del conductor (m)

L

IKKE imt

ρ..=

tE Tensión de contacto en voltios

Km Coeficiente que tiene en cuenta las características de la malla


U.P.S. U.P.S.

• Configuración de la malla. Determinación de los coeficientes Km , Ki, Ks

Para la determinación de los coeficientes es necesario tener en cuenta las siguientes definiciones

A

B

A longitud de la malla B ancho de la malla L longitud total del conductor n número de conductores en paralelo de long A m número de conductores en paralelo de long B D espaciamiento entre conductores (m) h profundidad del enterramiento (m) d diametro del conductor (m)

La longitud del conductor esta dada por L = n * A + m * B


U.P.S. U.P.S.

+

= ..........

8

7.

6

5.

4

3ln

1

16ln

2

12

ππ hd

DK m

Determinación de Km n-2 términos

+++

++= ..........

3

1

2

11

2

11

DDhDhK s

π

Ki = 0,65 + 0,172 n n ≤ 7 Determinación de Ki

Determinación de Ks

Resistividad del terreno Se lo puede realizar por el método de Laurent y Niemann

+=

LAR

11443,0

γρ

R resistencia en ohmios Aγγγγ area de la malla de puesta a tierra en m2 ρ resistividad del suelo (Ω-m) L longitud del conductor (m)


RELES DIFERENCIALES


CALCULO DE MALLA A TIERRA

El cálculo de la malla de tierra se hará siguiendo las recomendaciones de la norma IEEE 80 “IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding”.

Resistividad del suelo (ρ): 25 Ωm Área del terreno(A) 32000 m2 Tiempo de duración de una falla a tierra (tf) 1 s Profundidad a la que se entierra el conductor (h) 0,6 m Resistividad de la grava (ρs) 2500 Ωm Altura de la capa de grava (hs) 0,15 m Máxima corriente de cortocircuito fase-tierra(3I0) 15000 A Factor de división de corriente (Sf) 0,6

Datos de entrada



[ ]//165

1

165,0

165,0

mAI

I

tI

K

K

K

=

=

=( )

( )[ ]

[ ]//75,1687

1

157,0250065,061000

157,061000

VE

E

tCE

paso

paso

sspaso

=

⋅⋅⋅+=

⋅⋅⋅+= ρ ( )

( )[ ]

[ ]//6875,539

1

157,0250065,05,11000

157,05,11000

VE

E

tCE

toque

toque

sstoque

=

⋅⋅⋅+=

⋅⋅⋅+= ρ

[ ]//9000

1150006,0

AI

I

DISI

G

G

fffG

=

⋅⋅=

⋅⋅=

[ ]//2055,0

32000206,01

11

3200020

1

2023

125

201

11

20

11

Ω=

⋅++

⋅+⋅=

+++⋅=

g

g

g

R

R

AhALR ρ

[ ] [ ]//23,7635,1849

90002055,0

VVGPR

GPR

IRGPR Gg

>=

⋅=

⋅=

( ) ( )//6818785,0

192

1

2

1

19

22=→

⋅

=→= iiii

n

ii KK

n

K

I. DE CORTOCIRCUITO TENSION DE PASO TENSION DE TOQUE

I. MALLA RESISTENCIA DE MALLA EN FUNCION DE LA RESISTIVIDAD

ELEVACION DEL POTENCIAL DEL

SUELO

COEFICIENTE DE IRREGULARIDAD DEL TERRENO



( )( )

( )( )

//6675,0

1192

8ln

4936691,1

6818785,0

0105,04

6,0

0105,048

6,024

0105,06,016

4ln

2

1

12

8ln

48

2

16ln

2

1

22

22

=

−⋅⋅+

⋅−

⋅⋅

⋅++

⋅⋅⋅=

−+

−

++

⋅=

m

m

h

ii

m

K

K

nK

K

d

h

Dd

hD

hd

DK

ππ

ππ

( )( )

( )( )

//4951495,2

423,0119ln1192

1

423,01ln12

1

=

−−+−⋅

=

−−+−

=

W

W

nn

W

//5330137,0

4951495,24

1

6,04

1

6,02

11

11

2

11

=

⋅+

++

⋅⋅=

+

++=

s

s

s

K

K

WDhDh

K

π

π

[ ]//240608,240

2023

236,36675,0900025

VE

E

L

KKIE

m

m

imG

m

=

⋅⋅⋅=

⋅⋅⋅=

ρ

[ ]//8375062,191

2023

236,35330137,0900025

VE

E

L

KKIE

s

s

isG

s

=

⋅⋅⋅=

⋅⋅⋅=

ρ

COEFICIENTE QUE TIENE EN CUENTA LAS CARACTERIZTICAS DE LA MALLA

COEFICIENTE QUE TIENE EN CUENTA LA

INFLUENCIA DE LA PROFUNDIDAD DE LA

MALLA

POTENCIAL DE MALLA DE TIERRA



[ ]//240608,240

2023

236,36675,0900025

VE

E

L

KKIE

m

m

imG

m

=

⋅⋅⋅=

⋅⋅⋅=

ρ

[ ]//8375062,191

2023

236,35330137,0900025

VE

E

L

KKIE

s

s

isG

s

=

⋅⋅⋅=

⋅⋅⋅=

ρ

POTENCIAL DE MALLA DE TIERRA

En resumen, la malla principal de la subestación se construirá con cable de cobre 2/0 AWG, enterrado 0,6m, formando cuadriculas de aproximadamente 4 m. La longitud mínima aceptable total sera de 2023 m.

APANTALLAMIENTO DE LA SUBESTACION


OBJETIVO

APANTALLAMIENTO DE LA SUBESTACION

El apantallamiento tiene por objeto evitar que ocurran descargas atmosféricas directas sobre las barras o sobre el equipo de la subestación.

El apantallamiento es un sistema compuesto por cables denominados de guardia y mástiles metálicos, ambos conectados directamente a la malla de tierra.


CONFIGURACION DEL APANTALLAMIENTO

Las estructuras metálicas de los pórticos de la subestación terminan en mástil.

Utilizando el método descrito por la norma DIN VDE 0101, Se determina que las barras, para estar protegidas por el apantallamiento, deberían estar como máximo a 13.50 m de altura.


CONFIGURACION DEL APANTALLAMIENTO

√5 H

M

3H

H

L h

El ángulo entre el punto M y el punto de altura h que esta a 7.0 m desde el eje del mástil se calcula como:

L = 39.13 m-7.0 m = 32.13 m sen α = 32.13/52,5 = 0.616

La altura hasta la que el apantallamiento cubre a una distancia de 7.0 m del eje del mástil es: h = 0.2091 x 52.5 m = 10.98 m

α = 37.73°°°° cos α = 0.7908 cos-1 α = 0.2091

La distancia hasta la cual el apantallamiento cubre una altura de 6,00 m es de 14.75 m.

H = altura del mástil = 17,50 m √5 x 17,5 = 39.13 m 3H = 52.5 m

RELES DIFERENCIALES


De acuerdo al detalle de cargas a servir, consideraciones de crecimiento de la demanda y reserva, se instalará dos transformadores que se derivan desde el primario del transformador de potencia.

TRANSFORMADORES PARA SERVICIOS AUXILIARES 4000/440 V

La estimación de carga de los sistemas auxiliares es de 71.9 KVA

- La demanda eléctrica para las servicios auxiliares del transformador de potencia a instalarse y futuro, es de 16.64 KVA - La estimación de carga de la subestación para calentadores, motores, iluminación y tomas de equipos y alumbrado interior y exterior de la sala de control es de 47.53 KVA - Finalmente, la alimentación redundante a dos cargadores de baterías tiene una demanda de 8.75 KVA.

CARGA TOTAL 16.64+ 47.53 + 8.75 = 72.92 KVA 75 kVA

RELES DIFERENCIALES


BANCO DE BATERIAS

Como respaldo, habrá un banco de baterías con baterías de plomo-acido que suministrará corriente continua de 125 Vcc a los circuitos de control y motores de equipos de protección y seccionamiento en caso de falla de la alimentación a los cargadores de baterías. Se ha definido un solo banco que satisfaga la demanda de los servicios auxiliares de la casa de máquinas y de la subestación.

Comprende la provisión de : - Un (1) banco de baterías plomo-acido, de 125 V, 200 Ah, 8 hs. - Dos (2) rectificadores autoregulados, dimensionados para 35 A. La fabricación y funcionamiento se regirá a las normas IEC 623 o 896-1. Se aplicará siempre la última versión vigente de la norma

ESPECIFICACIONES TECNICAS PARA BATERIAS Y CARGADORES

ESQUEMAS UNIFILARES DE LA SUBESTACION “SEP II ”

S 1

S 2

S 3

S 4

L / T 1 L / T 2

BARRA 2

BARRA 1

4.2 kv 480 v

75 KVA

Y

10 / 12

MVA

G 1

138 /4.2 kv

Y

138/4.2 kv

10 / 12

MVA

G 2

Y

75KVA

4 .2kv 480 v

Y SERVICIO DE

ESTACION B

SERVICIO DE

ESTACION A

DIAGRAMA UNIFILAR

BARRA 1 138 KV

SERVICIO DE

ESTACION B

BARRA 2 138 KV

Y

G

TRANSF.

4/138 Kv

10/12 MVA

DY1

52-2 89-2 Y

TRANSF.

4/ 0,44Kv

75 KVA

DY1

152-2 152-B

Y

G

TRANSF.

4/138 Kv

10/12 MVA

DY1

52-1 89-1 Y

TRANSF.

4/ 0,44Kv

75 KVA

DY1

152-1 152-A

SERVICIO DE

ESTACION A

D-1

D-2

S-14

S-18

S-24

S-28

L-1

D-3

D-4

S-34

S-38

S-44

S-48

L-1

87 G

87 T

87G

87T

51

51

PT x 3 138

/ 0,01Kv

DIAGRAMA UNIFILAR


SIMULACION DE LA SUBESTACION EN “POWERWORLD”


( )

[ ]//44,190

10100

101386

23

2

Ω=

⋅

⋅=

=

BASE

BASE

BASE

BASE

BASE

Z

Z

S

VZ

[ ]//...1732051,0

103,0

52

52

52

upZo

Zo

XXZo CL

Ω=

⋅=

⋅=

−

−

−

[ ]//9851756,32

44,1901732051,0

52

52

Ω=

⋅=

−

−

Zo

Zo

( )

[ ]//3502692,577

9851756,32

10138

52

23

52

52

2

52

MVASIL

SIL

Zo

VSIL FF

=

⋅=

=

−

−

−

−

//%5

1003502692,577

8675135,28

100

52

52

=

⋅=

⋅=−

−

n

n

SIL

Sn

*

CALCULO DEL RENDIMIENTO

Z CARACTERISTICA DE LA LINEA 2-5

RENDIMEINTO DE LA LINEA 2-5

DISEÑO DE UNA SUBESTACION DISEÑO DE UNA SUBESTACION U.P.S. U.P.S. *


[ ]//...1732051,0

103,0

53

53

53

upZo

Zo

XXZo CL

Ω=

⋅=

⋅=

−

−

−

[ ]//9851756,32

44,1901732051,0

53

53

Ω=

⋅=

−

−

Zo

Zo

( )

[ ]//3502692,577

9851756,32

10138

53

23

53

53

2

53

MVASIL

SIL

Zo

VSIL FF

=

⋅=

=

−

−

−

−

//%5

1003502692,577

8675135,28

100

53

53

=

⋅=

⋅=−

−

n

n

SIL

Sn

*



[ ]//...1732051,0

103,0

62

62

62

upZo

Zo

XXZo CL

Ω=

⋅=

⋅=

−

−

−

[ ]//9851756,32

44,1901732051,0

62

62

Ω=

⋅=

−

−

Zo

Zo



( )

[ ]//3502692,577

9851756,32

10138

62

23

62

62

2

62

MVASIL

SIL

Zo

VSIL FF

=

⋅=

=

−

−

−

−

//%6

1003502692,577

6410162,34

100

62

62

=

⋅=

⋅=−

−

n

n

SIL

Sn

*

[ ]//...1732051,0

103,0

63

63

63

upZo

Zo

XXZo CL

Ω=

⋅=

⋅=

−

−

−

[ ]//9851756,32

44,1901732051,0

63

63

Ω=

⋅=

−

−

Zo

Zo

( )

[ ]//3502692,577

9851756,32

10138

63

23

63

63

2

63

MVASIL

SIL

Zo

VSIL FF

=

⋅=

=

−

−

−

−

//%6

1003502692,577

6410162,34

100

63

63

=

⋅=

⋅=−

−

n

n

SIL

Sn





GRACIAS

POR SU

ATENCION

Diseno de una subestacion

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