Tesis subestacion

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERA

ESCUELA DE INGENIERA ELCTRICA

ELABORACIN DE LA INGENIERA DE DETALLE PARA EL

DISEO DE LA SUBESTACIN ELCTRICA SILVESTRE EN

34.5/13.8 kV PDVSA DIVISIN CENTRO SUR, ESTADO BARINAS

Br. Ronald Javier Arias Belandria

Mrida, Julio 2008







Trabajo presentado como requisito parcial para optar al ttulo de

Ingeniero Electricista

Autor: Br. Ronald Javier Arias Belandria.

Tutor: Dra. Marisol Dvila.

Asesor: Ing. Ramn Rojas.

Mrida, Julio 2008

iii







Br. Arias B. Ronald J.

Trabajo de Grado, presentado en cumplimiento parcial de los requisitos exigidos para optar al

ttulo de Ingeniero Electricista, aprobado en nombre de la Universidad de Los Andes por el

siguiente Jurado.

_____________________________ ______________________________

Prof. Ricardo Stephens Prof. Lelis N. Ballester U.

C.I. 15.175.313 C.I. 13.098.939

_______________________________

Prof. Marisol Dvila

C.I. 10.107.821

iv

ARIAS, Ronald. Elaboracin de la Ingeniera de Detalle para el Diseo de la

Subestacin Elctrica Silvestre en 34.5/13.8 kV PDVSA Divisin Centro Sur,

Estado Barinas, Universidad de Los Andes. Tutor: Dra. Marisol Dvila. Julio del

2008.

RESUMEN

El presente trabajo se realiz en la Superintendencia de Proyectos Mayores, PDVSA Divisin

Centro Sur, Estado Barinas. El Patio de Tanques Silvestre (PTS), es el gran centro de acopio

de la produccin de petrleo de la Divisin Centro Sur de PDVSA. PTS recibe el crudo,

proveniente de los estados Apure y Barinas, el cual es transportado hacia la refinera El Palito,

estado Carabobo, por medio de un sistema de motobombas principales, 342 km de oleoducto y

tres estaciones reforzadoras. El sistema de bombeo principal consta de cuatro bombas

accionadas por motores diesel. Estos motores datan del ao 1952 y presentan fallas continuas.

Por tal motivo sern sustituidos dos de estos motores diesel, por dos motores elctricos de

2000 HP cada uno. Los nuevos motores, demandarn gran cantidad de energa elctrica y el

sistema elctrico de PTS no es capaz de cubrirla. Por tal motivo aqu se plantea realizar parte

de la ingeniera para el diseo de una nueva subestacin elctrica en PTS, que alimente a los

dos motores elctricos, con nfasis en la ubicacin geogrfica de la subestacin, demanda de

energa elctrica, estudio de cortocircuito, diseo de los prticos en 34.5 kV y 13.8 kV,

distribucin de los equipos en patio, coordinacin de aislamiento, diseo del sistema de

proteccin contra descargas atmosfricas, diseo de la malla de puesta a tierra, clculos de

iluminacin, especificacin de equipos, as como la elaboracin de los planos

correspondientes.

Descriptores: Diseo de subestaciones elctricas, Ingeniera de detalles.

v

NDICE GENERAL

RESUMEN iii

NDICE GENERAL iv

NDICE DE TABLAS vii

NDICE DE FIGURAS viii

INTRODUCCIN 1

Captulo pp 1. DESCRIPCIN DE LA EMPRESA Y PLANTEAMIENTO DEL

PROBLEMA 3

1.1. Descripcin de la empresa 3

1.2. Antecedentes 4

1.3. Planteamiento del problema 4

1.4. Justificacin e importancia del trabajo 5

1.5. Objetivos 6

2. MARCO TORICO 7

2.1. Etapas de diseo de una subestacin 7

2.2. Subestacin elctrica 8

2.3. Localizacin 9

2.4. Nomenclatura 10

2.5. Diagrama unifilar 10

2.6. Corrientes en una subestacin 10

2.7. Sobretensiones 11

2.8. Equipos que integran una subestacin 12

2.9 Sistema de compensacin 29

2.10. Barras colectoras 30

2.11. Estructuras 31

2.12. Aisladores 31

2.13. Sistema de conductores y accesorios 33

2.14. Sistema de puesta a tierra 33

2.15. Nivel de aislamiento 34

2.15. Distancias dielctricas en las subestaciones 36

3. MARCO METODOLGICO 39

3.1. Tipo de investigacin 39

3.2. Tcnicas de recoleccin de datos 40

4. INGENIERA DE DETALLE PARA LA SUBESTACIN ELCTRICA

SILVESTRE, PDVSA DIVISIN CENTRO SUR 41

vi

4.1. Esquema de actividades 41

4.2. Recopilacin de los requerimientos de PDVSA 42

4.3. Determinacin geogrfica de la subestacin 42

4.3.1. Visita a PTS 42

4.3.2. Verificar que el lugar propuesto cumpla con las normas correspondientes 44

4.4. Recopilacin de informacin necesaria para el diseo 45

4.4.1. Resistividad del terreno del lugar donde se construir la subestacin 45

4.4.2. Datos para el anlisis de cortocircuito 45

4.4.3. Condiciones ambientales de diseo 45

4.4.4. Caractersticas generales del sistema elctrico 46

4.5. Determinacin de la demanda inmediata de la subestacin 47

4.6. Estudio de cortocircuito 48

4.6.1. Falla trifsica 48

4.6.2. Falla monofsica 53

4.7. Clculo de la barra para 34.5 kV 53

4.8. Clculo de la barra para 13.8 kV 58

4.9. Descargadores de sobretensin 61

4.10. Ubicacin de los descargadores de sobretensin 63

4.11. Coordinacin de aislamiento 65

4.12. Dimensionamiento de la subestacin 70

4.13. Apantallamiento contra descargas atmosfricas 71

4.14. Acometida subterrnea para los motores de 2000 HP 73

4.15. Sistema de iluminacin del patio de la subestacin 75

4.16. Diseo de la malla de puesta a tierra 77

5. ESPECIFICACIONES DE EQUIPOS 82

5.1. Transformador de potencia 82

5.2. Interruptor de potencia 34.5 kV 83

5.3. Reconectador trifsico 13.8 kV con apertura monofsica 84

5.4. Seccionador tripolar motorizado 34.5 kV 85

5.5. Seccionador tripolar motorizado 13.8 kV 85

5.6. Descargadores de sobretensin 30 kV 86

5.7. Descargadores de sobretensin 12 kV 87

5.8. Transformador de potencial para medicin y proteccin, 34.5 kV 87

5.9. Transformador de potencial para medicin y proteccin, 13.8 kV 88

5.10. Transformador de distribucin para servicios auxiliares 88

5.11. Barras colectoras para 34.5 kV, ARVIDAL 2/0 89

5.12. Barras colectoras para 13.8 kV, ARVIDAL 300 MCM 89

5.13. Conductor para los circuitos alimentadores de los motores de 2000 HP 90

5.14. Alimentador del tablero de control de alumbrado 90

vii

5.15. Tablero de alumbrado 90

5.16. Reflector para el alumbrado del patio de la subestacin 91

5.17. Poste para el alumbrado del patio de la subestacin 91

5.18. Aislador de suspensin para 34.5 kV y para 13.8 kV 92

5.19. Aislador Cap And Pin para 13.8 kV 92

5.20. Aislador Cap And Pin para 34.5 kV 93

5.21. Poste tubular de acero 94

5.22. Trinchera porta cables 95

CONCLUSIONES 97

RECOMENDACIONES 98

REFERENCIAS 99

viii

NDICE DE TABLAS TABLA pp

2.1 Niveles para coordinacin de aislamiento 35

2.2 Distancias de seguridad para instalaciones exteriores 36

4.1 Modelacin del suelo de PTS 45

4.2 Corrientes de falla en la barra de 34.5 kV 45

4.3 Condiciones ambientales de diseo 46

4.4 Caractersticas elctricas del sistema 47

4.5 Cargas de la subestacin silvestre 47

4.6 Especificaciones de los transformadores 49

4.7 Especificaciones de los motores 49

4.8 Reactancias de los elementos del sistema en la base comn 51

4.9 Reactancia del sistema en la base comn 52

4.10 Corrientes para falla trifsica en las barras de la subestacin Silvestre 53

4.11 Caractersticas del conductor ARVIDAL 2/0 AWG 54

4.12 Caractersticas del conductor ARVIDAL 300 MCM 59

4.13 Impedancias de secuencia 62

4.14 Mrgenes de seguridad para 34.5 kV 68

4.15 Mrgenes de seguridad para 13.8 kV 69

4.16 Distancias dielctricas y de seguridad en la subestacin silvestre 71

4.17 Cable monopolar de cobre con polietileno a 15 kV 75

4.18 Malla de Puesta a Tierra 81

5.1 Especificaciones del transformador de potencia 83

5.2 Especificaciones del interruptor de potencia 84

5.3 Especificaciones del reconectador trifsico 13.8 kV 85

5.4 Especificaciones del seccionador tripolar motorizado 34.5 kV 86

5.5 Especificaciones del seccionador tripolar motorizado 13.8 kV 87

5.6 Especificaciones del descargador de sobretensin 30 kV 88

5.7 Especificaciones del descargador de sobretensin 12 kV 88

5.8 Especificaciones del transformador de potencial 34.5 kV 89

5.9 Especificaciones del transformador de potencial 13.8 kV 89

5.10 Caractersticas del transformador de Servicios Auxiliares 90

5.11 Caractersticas del conductor ARVIDAL 2/0 AWG 90

5.12 Caractersticas del conductor ARVIDAL 300 MCM 90

5.13 Cable monopolar de cobre con polietileno a 15 kV 91

5.14 Cable monopolar de cobre 3/0 AWG-TTU-600 V 91

5.15 Caractersticas del Aislador de suspensin para 34.5 kV y para 13.8 kV 91

5.16 Caractersticas del Aislador Cap And Pin para 13.8 kV 93

5.17 Caractersticas del Aislador Cap And Pin para 34.5 kV 94

5.18 Caractersticas fsicas para postes tubulares 95

ix

NDICE DE FIGURAS

FIGURA pp

2.1 Partes de un transformador 15

2.2 Descargador cuernos de arqueo 16

2.3 Descargador autovalvular 17

2.4 Funcionamiento del descargador de sobretensin 19

2.5 Interruptor 20

2.6 Seccionador 22

2.7 Aislador de suspensin/amarre 32

2.8 Aislador de soporte 33

2.9 Coordinacin de aislamiento 35

2.10 Dimensiones medias del operador 37

4.1 Terreno propuesto para la construccin de la subestacin elctrica Silvestre 43

4.2 Diagrama unifilar de la subestacin 48

4.3 Diagrama unifilar del circuito equivalente, de secuencia positiva, del sistema de

potencia en por unidad 51

4.4 Coordinacin de aislamiento para 34.5 kV 69

4.5 Coordinacin de aislamiento para 34.5 kV 70

INTRODUCCIN

El Patio de Tanques Silvestre (PTS), llamado tambin Estacin Mayor, est definido

como el gran centro de acopio de la produccin de petrleo de la Divisin Centro Sur de

PDVSA. En estas instalaciones se recibe el crudo proveniente de los campos del estado

Apure (estaciones de flujo Guafta y La Victoria) y del estado Barinas (estaciones de flujo

Silvn, Mingo, Silvestre, Sinco y Palmita), el cual es transportado hacia la refinera El

Palito en el estado Carabobo, por medio de un sistema de motobombas principales, un total

de 342 km de oleoducto y tres estaciones reforzadoras.

El sistema de bombeo de PTS est formado por cuatro equipos motobombas accionados

por motores diesel. Estos motores diesel datan del ao 1952 y en los ltimos aos han

presentado fallas continuas, que han sido difciles de resolver. Por tal motivo sern

reemplazados dos de estos motores diesel, por motores elctricos.

Los motores elctricos a instalar son de 2000 HP cada uno. Estos motores demandarn

una gran cantidad de energa elctrica y el sistema elctrico de PTS no tiene la capacidad

necesaria para cubrir esta demanda. Por tal motivo se requiere el diseo de una nueva

Subestacin Elctrica en PTS, para el suministro seguro y confiable de energa a los dos

motores, con el fin de garantizar el bombeo de petrleo a la refinera El Palito en tiempo

calidad y volumen. Adems, la Subestacin alimentar los dos circuitos de distribucin de

PTS, ya que la infraestructura de los mismos no se adapta a los nuevos proyectos que se

estn desarrollando.

En principio la nueva subestacin ser alimentada por una lnea trifsica a 34.5 kV

proveniente de la Subestacin Barinas Norte (PDVSA). Sin embargo, el diseo contempla

las facilidades elctricas para que la Subestacin cuente con dos entradas para lneas

trifsicas a 34.5 kV. Tanto en 34.5 kV como en 13.8 kV se tendr un solo juego de barras

colectoras seccionadas. Se instalarn dos transformadores de potencia, de 5 MVA, 34.5 /

13.8 kV. Se tendrn 4 salidas en 13.8 kV.

2

El trabajo fue estructurado de la siguiente manera:

El captulo I, expone la descripcin de la empresa, planteamiento del problema, los

objetivos, su justificacin e importancia.

El captulo II, comprende las bases tericas, que representan la plataforma para el

desarrollo del proyecto.

El captulo III, comprende el marco metodolgico en el que se desarroll el trabajo.

El captulo IV, comprende parte de la Ingeniera para la subestacin elctrica Silvestre.

El captulo V expone las especificaciones tcnicas de los equipos que se usarn en la

subestacin elctrica Silvestre.

Finalmente, se presentan las conclusiones y recomendaciones.

3

CAPTULO I

DESCRIPCIN DE LA EMPRESA Y PLANTEAMIENTO DEL

PROBLEMA

En este captulo se muestra la estructura de la empresa, y se describe la justificacin para

la realizacin del proyecto.

1.1 DESCRIPCIN DE LA EMPRESA

Desde sus inicios en 1976 y a 32 aos de su creacin, PDVSA se ha convertido en una de

las corporaciones energticas ms importantes del mundo. En este sentido, a finales de 1997,

la corporacin energtica venezolana cre la Empresa de PDVSA Petrleo y Gas, la cual est

constituida por tres grandes divisiones, dedicadas a las actividades modulares del negocio:

PDVSA Exploracin y Produccin; PDVSA Manufactura y Mercadeo y PDVSA Servicios.

Cada una de estas divisiones a su vez est integrada por diversas empresas y unidades de

negocio, ubicadas tanto en Venezuela como en el exterior. El sector petroqumico es

desarrollado por Pequiven y sus empresas mixtas.

PDVSA exploracin y produccin: Es la divisin responsable por el desarrollo de petrleo,

gas, carbn y la manufactura de Orimulsin. Esta divisin est compuesta por las siguientes

unidades de negocio: PDVSA Exploracin, PDVSA Produccin, PDVSA Faja, Bitor-

Carbozulia y CVP.

PDVSA Divisin Centro Sur forma parte de Exploracin y Produccin.

PDVSA manufactura y mercadeo: Es la divisin a cargo de las actividades de refinacin de

crudos, as como de la manufactura de productos y su comercializacin y suministro para el

mercado nacional e internacional. Adems, se encarga de la comercializacin del gas natural y

cumple funciones de transporte martimo. Esta organizacin est constituida por: PDVSA

Refinacin y Comercio, Deltaven, PDVSA Marina, Intevep y PDVSA Gas.

4

PDVSA servicios: Es la divisin responsable del suministro de servicios integrados,

especializados y competitivos, a toda la Corporacin. Su rea de gestin incluye una amplia

gama de especialidades, entre las cuales se destacan: suministro de bienes y materiales,

servicios tcnicos, consultora y asesora profesional, informtica e ingeniera, entre otras. Esta

organizacin est compuesta por: Barivn, PDVSA Ingeniera y Proyectos, PDVSA

Administracin y Servicios, Consultora Jurdica, Recursos Humanos, Finanzas y Asuntos

Pblicos.

1.2 ANTECEDENTES

El Distrito Barinas, perteneciente a la Divisin Centro Sur de PDVSA, posee tres

subestaciones elctricas, todas en 34.5/13.8 kV. Estas subestaciones son:

- Subestacin Barinas Norte, 20 MVA.

- Subestacin El Toreo PDVSA, 20 MVA.

- Subestacin Borburata, 10 MVA.

Todas estas subestaciones poseen los mismos esquemas de prticos, por tal motivo,

PDVSA solicit que la nueva subestacin tenga el mismo esquema de las subestaciones

existentes.

Las caractersticas requeridas por PDVSA, se exponen en el captulo IV.

1.3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Como se mencion anteriormente PDVSA, Divisin Centro Sur, instalar dos motores

elctricos de 2000 HP en el patio de tanques Silvestre.

Los motores a instalar demandarn una gran cantidad de energa elctrica y actualmente en

PTS no se tiene la capacidad necesaria para cubrir esta demanda. Por tal motivo, se requiere

una solucin que aporte la energa elctrica que demandarn los motores.

La tensin de alimentacin de los motores a instalar es de 4.16 kV, el variador de velocidad

de cada motor es alimentado por medio de un transformador de aislamiento con relacin de

5

transformacin 13.8 kV / 4.16 kV. Por lo tanto, se requiere una solucin de alimentacin en

13.8 kV.

Inicialmente se pens en energizar en 13.8 kV una lnea elctrica existente, proveniente de

la Subestacin Barinas Norte (PDVSA), directamente hasta los transformadores de

aislamiento que alimentan a los motores, sin embargo, PDVSA determin, a travs de una

simulacin, que a ese nivel de tensin las prdidas en la lnea, por efecto Joule, seran tales

que causaran una cada de tensin muy grande y no se garantizan los 13.8 kV que requieren

los transformadores de aislamiento que alimentan directamente a los motores.

En vista de lo anterior, se acord la construccin, en el Patio de Tanques Silvestre, de una

nueva Subestacin Elctrica 34.5/13.8 kV, para garantizar la alimentacin de los motores a

instalar. Por tal motivo se requiere el diseo de esta Subestacin Elctrica.

1.4 JUSTIFICACIN E IMPORTANCIA DEL TRABAJO

Como se mencion en el punto anterior, PTS no tiene la capacidad necesaria para alimentar

los motores de 2000 HP que sern instalados, por lo tanto, se requiere una infraestructura que

permita a PTS contar con ms energa elctrica. El nivel de tensin, requerido para alimentar

los motores es 13.8 kV. Llevar energa elctrica a PTS, desde la subestacin Barinas Norte, en

13.8 kV, no es una opcin, debido a la cada de tensin que se presentara en la lnea. Si se

transporta sta energa pero a un nivel de tensin de 34.5 kV, se obtiene una cada de tensin

aceptable, pero como el nivel de tensin que se requiere para alimentar a los motores es de

13.8 kV, se necesita transformar la tensin de 34.5 kV a 13.8 kV.

Por tal motivo, en el presente trabajo se realiza parte de la ingeniera de una subestacin

elctrica en 34.5/13.8 kV, que dar solucin al problema antes expuesto.

Otro problema que solucionar la construccin de esta subestacin, es que permitir

alimentar en 13.8 kV, los dos circuitos de distribucin de PTS, encargados de transportar la

energa elctrica, requerida por los pozos petroleros del campo Silvestre. La infraestructura

que actualmente distribuye a estos circuitos se encuentra en PTS, y no se adapta a los nuevos

proyectos que se desarrollan en estas instalaciones. Alimentar estos circuitos a partir de la

nueva subestacin permite desmantelar la infraestructura actual de los mismos, mejorando la

operatividad en PTS.

6

1.5 OBJETIVOS

1.5.1 Objetivo general

Realizar Ingeniera para la Subestacin Elctrica Silvestre en 34.5/13.8 kV PDVSA

Divisin Centro Sur, Estado Barinas.

1.5.2 Objetivos especficos

Preparar la informacin necesaria para el diseo.

Determinar la demanda de la subestacin.

Realizar estudio de cortocircuito.

Realizar parte de la Ingeniera de detalle de la subestacin.

7

CAPTULO II

MARCO TERICO

En este captulo se encuentran las bases tericas que sustentan el proyecto que aqu se

desarrolla.

En la generacin de energa elctrica se encuentran los generadores elctricos, que

producen electricidad a partir de otras fuentes de energa como la trmica, hidrulica, atmica,

qumica, solar, elica, entre otras. La energa generada se lleva a los centros de consumo por

medio de lneas de transmisin. Las tensiones de transmisin estn entre 115kV y 765kV. A

mayor tensin existen menores prdidas en las lneas de transmisin. Al llegar a los centros de

consumo se baja el nivel de tensin de las lneas, en instalaciones llamadas Subestaciones

Elctricas, utilizando transformadores de potencia. Estos transformadores reducen la tensin a

34,5kV 13,8kV que son los dos niveles de voltaje normalizados por CADAFE para realizar

la distribucin de la energa elctrica. De las subestaciones salen las lneas de distribucin, a

estas lneas se conectan los transformadores de distribucin, los cuales reducen el voltaje a

120, 208, 240, 440, 4.160 voltios, entre otros, dependiendo de las necesidades de la carga.

2.1. ETAPAS DE DISEO DE UNA SUBESTACIN

El proceso de diseo de una subestacin elctrica comprende tres etapas que van desde la

concepcin del proyecto hasta la especificacin en detalle de todos los elementos que

formarn parte de la subestacin. Estas etapas son: [Reiley Zegarra, 2001]

Ingeniera conceptual.

Ingeniera bsica.

Ingeniera de detalle.

Ingeniera conceptual

En esta etapa del diseo se estudian parmetros tales como:

Ubicacin geogrfica.

8

Impacto ambiental.

Esquema y caractersticas principales de la subestacin.

Factibilidad tcnica.

En ella se elabora un plano del diagrama unifilar referencial, el cual permitir cuantificar el

nmero de salidas y equipos de la subestacin.

Ingeniera bsica

En esta etapa se establece el alcance de la ingeniera de detalle, se prepara la

documentacin necesaria para el diseo final de la subestacin, se realizan clculos de diseo

aproximados o estimaciones, y se estudian diferentes opciones de diseo y especificaciones de

equipos.

Ingeniera de detalle

En esta etapa se realizan los clculos y especificaciones finales de todos los elementos que

forman parte de la subestacin, tomando como base las especificaciones tcnicas realizadas en

las dos etapas anteriores. Entre los parmetros que se desarrollan en esta etapa se puede

mencionar:

Clculo de niveles de cortocircuito y parmetros del sistema.

Seleccin y especificacin de equipos, tableros y materiales.

Seleccin, ubicacin y ruta de conductores y cables.

Detalle de las dimensiones, caractersticas, ubicacin, disposicin y cableado de todos los

equipos.

Seleccin y coordinacin de las protecciones.

Seleccin y programacin de los dispositivos de control y comunicacin.

Procedimiento para el chequeo, monitoreo y mantenimiento de las instalaciones y

equipos.

Otros.

2.2. SUBESTACIN ELCTRICA

Es un conjunto de equipos elctricos, que forman parte de un sistema elctrico de potencia;

sus funciones son: transformar tensiones y distribuir circuitos de potencia. [Jos Rall Martn,

1990]

9

Las subestaciones se pueden clasificar, segn el tipo de funcin que cumplen en tres

grupos:

a) Subestaciones variadoras de tensin.

b) Subestaciones de maniobra o seccionadoras de circuito.

c) Subestaciones mixtas (combinacin de las anteriores).

Segn la potencia y tensin que manejan las subestaciones, stas se pueden clasificar en:

a) Subestaciones de transmisin. Tensiones mayores a 230 kV.

b) Subestaciones de subtransmisin. Tensiones entre 230 kV y 115 kV.

c) Subestaciones de distribucin primaria. Tensiones entre entre 115 kV y 23 kV.

d) Subestaciones de distribucin secundaria. Tensiones menores a 23 kV.

2.3. LOCALIZACIN

El punto de inicio para la localizacin de una subestacin se deriva de un estudio de

planeacin, a partir del cual se localiza aproximadamente el centro de carga de la carga que se

necesita alimentar. [Jos Rall Martn, 1990]

En el caso de la Subestacin Silvestre, sta debe estar lo ms cerca posible a los motores de

2000 HP.

Localizado el terreno, para la construccin de la subestacin, se procede a la obtencin de

los datos climatolgicos de la regin y del terreno:

Datos Climatolgicos:

a) Temperatura mxima y mnima.

b) Velocidad mxima del viento.

c) Altura sobre el nivel del mar.

d) Nivel ssmico.

e) Nivel pluviomtrico.

Datos del Terreno:

a) Resistencia mecnica.

b) Nivel de aguas freticas.

c) Resistividad del terreno.

10

2.4. NOMENCLATURA

La nomenclatura de los equipos que se muestran en este proyecto, est de acuerdo con la

norma CADAFE, Cdigo 281-91 Presentacin de proyectos de subestaciones de transmisin.

Nomenclatura de equipos. [CADAFE, 1991].

Cabe destacar que PDVSA, Distrito Barinas, utiliza esta nomenclatura en todas sus

subestaciones.

2.5. DIAGRAMA UNIFILAR

Es el resultado de conectar de manera simblica, por medio de un solo hilo, todo los

equipos mayores de la instalacin, considerando la secuencia de operacin de cada uno de los

circuitos. El diseo de una subestacin se origina en un su diagrama unifilar, que resulta del

estudio de las necesidades de carga en el presente y con proyeccin a futuro. [Jos Rall

Martn, 1990].

La eleccin del diagrama unifilar de una subestacin depende de las caractersticas

especficas de cada sistema elctrico y de la funcin que realiza dicha subestacin en el

sistema.

El diagrama unifilar que se genere, determina en gran parte el costo de la subestacin.

Los criterios que se utilizan para seleccionar el diagrama unifilar ms adecuado y

econmico de una instalacin, son los siguientes:

a) Continuidad de servicio.

b) Versatilidad de operacin.

c) Facilidad de mantenimiento de los equipos.

d) Cantidad y costo del equipo elctrico.

2.6. CORRIENTES EN UNA SUBESTACIN

Una subestacin debe disearse, para soportar el paso de dos tipos de corriente: [Jos Rall

Martn, 1990]

1. Corriente nominal.

2. Corriente de cortocircuito.

11

2.6.1 Corriente Nominal

Esta corriente permite determinar los esfuerzos trmicos que debe soportar una instalacin

elctrica, en las condiciones normales de operacin. Sirve para determinar la seccin de las

barras colectoras y las caractersticas de conduccin de corriente de los diferentes equipos

presentes en la subestacin como: interruptores, seccionadores, transformadores de corriente,

entre otros.

2.6.2 Corriente de Cortocircuito

La corriente de cortocircuito determina los esfuerzos electrodinmicos y trmicos mximos,

que pueden soportar las barras colectoras y los tramos de conexin; y es un parmetro

importante en el diseo de la malla de puesta a tierra de la instalacin.

La corriente de cortocircuito produce un aumento brusco de temperatura, que degrada el

aislamiento y disminuye la vida til de los equipos a travs de los cuales circula, adems una

sobretensin posterior leve, puede dar origen a una falla ms severa en los devanados e incluso

su destruccin.

2.7. SOBRETENSIONES

En un sistema de potencia pueden producirse niveles de tensin por encima del valor

mximo de servicio, estos aumentos se denominan sobretensiones y su relacin con la tensin

mxima de operacin recibe el nombre de factor de sobretensin. [Ricardo Stephens, Apuntes

de clase de Subestaciones Elctricas]

(2.1)

Donde:

K = Factor de sobretensin.

Us = Sobretensin de fase a tierra.

Um = Tensin mxima de operacin.

2.7.1. Tipos de Sobretensiones

Um

Us3K

12

Las sobretensiones pueden ser de origen externo o de origen interno. Las de origen externo

las producen descargas atmosfricas sobre el conductor o por arcos de retorno entre los

conductores y las estructuras de sostn o entre los conductores y los cables de guarda, cuando

la estructura de sostn o los cables de guarda han sido alcanzados por el rayo.

Las sobretensiones de origen interno son producidas por cambios electromagnticos

bruscos dentro del sistema, ocasionados por fallas monofsicas, por operaciones de apertura o

cierre de los interruptores, por sobre velocidad de los alternadores, entre otros.

Las sobretensiones de origen atmosfrico son determinantes para la fijacin del nivel de

aislamiento en las redes de medias y altas tensiones, en cambio para sistemas con tensiones

superiores a los 400 kV y con lneas de transmisin muy largas, las sobretensiones de origen

interno son las predominantes para fijar el nivel de aislamiento de la subestacin.

2.8. EQUIPOS QUE INTEGRAN UNA SUBESTACIN

2.8.1 Transformador de Potencia

Es una mquina electromagntica esttica, que tiene como funcin principal cambiar la

magnitud de las tensiones elctricas.

Se puede considerar formado por tres partes principales: [Jos Rall Martn, 1990].

1. Parte activa.

2. Parte pasiva.

3. Accesorios.

Parte activa: Est constituida por un conjunto de elementos separados del tanque principal

y que agrupa los siguientes elementos:

Ncleo: Constituye un circuito magntico, fabricado en lminas de acero al silicio, con

un espesor de 0.28 mm, aisladas entre s con un material aislante.

Bobinas o Devanados: Constituyen el circuito elctrico. Estn fabricados con alambre

o barras de cobre o de aluminio. Los conductores estn cubiertos por material aislante,

que puede tener diferentes caractersticas, segn la tensin de servicio del

transformador, la temperatura y el medio en que van a estar sumergidos los devanados.

13

Cambiador de derivaciones: Es un mecanismo que permite regular la tensin de un

transformador. Puede operar en forma automtica o manual, se instala en el lado de

alta o de baja tensin dependiendo de la potencia y la tensin del transformador,

aunque por lo general se instala en alta tensin, motivado a que su costo disminuye en

virtud de que la magnitud de corriente es menor en el lado de alta tensin del

transformador.

Bastidor: Constituido por elementos estructurales que rodean al ncleo y los

devanados, con la funcin de soportar los esfuerzos mecnicos y electromagnticos

que se presentan durante la operacin del transformador.

Parte pasiva: Consiste en el tanque donde se aloja la parte activa; es utilizada en los

transformadores que llevan la parte activa sumergida en lquidos.

El tanque debe ser hermtico, soportar el vaco absoluto sin deformarse permanentemente,

proteger elctrica y mecnicamente al transformador, ofrecer puntos de apoyo para el

transformador, soportar los radiadores, bombas de aceite, ventiladores y los accesorios

especiales. La base del tanque debe ser capaz de soportar las maniobras de levantamiento

durante la carga o descarga del mismo.

El tanque y los radiadores de un transformador, deben tener un rea suficiente para disipar

el calor producto de las prdidas de energa presentes en el transformador, sin que su elevacin

de temperatura sea mayor a la clase trmica de aislamiento especificado.

A medida que la potencia de diseo de un transformador crece, el tanque y los radiadores,

por s solos, no son capaces de disipar el calor generado, entonces, para transformadores de

alta potencia, es necesario el uso de enfriadores mediante de los cuales se hace circular aceite

forzado por bombas, se hace circular aire sobre los enfriadores usando ventiladores. A este

tipo de refrigeracin se le llama enfriamiento forzado.

Accesorios: Son un conjunto de partes y dispositivos que ayudan en la operacin y facilitan

las labores de mantenimiento del transformador.

Destacan los siguientes:

Tanque conservador: Es un tanque extra, ubicado sobre el tanque principal del

transformador, su funcin es contener el aceite que se expande debido a las elevaciones

14

de temperatura, provocadas por los aumentos de carga. El tanque se mantiene lleno de

aceite aproximadamente hasta la mitad. En caso de una elevacin de temperatura, el

nivel de aceite se eleva comprimiendo el gas contenido en la mitad superior si el

tanque es sellado, pero si el tanque tiene respiracin el gas es expulsando hacia la

atmsfera.

La tubera entre los dos tanques debe permitir un flujo adecuado de aceite. En ella se

instala el rel Buchholz (relevador de gas), que sirve para detectar fallas internas en el

transformador.

Bushings: Son los aisladores terminales de los devanados de alta y baja tensin que se

utilizan para atravesar el tanque o la tapa del transformador.

Tablero: Es un gabinete en el cual se encuentran los controles y protecciones de los

motores de las bombas de aceite, de los ventiladores, de la calefaccin del tablero, del

cambiador de derivaciones bajo carga, entre otros.

Vlvulas: Es un conjunto de dispositivos que se utilizan para el llenado, vaciado,

mantenimiento y muestreo del aceite del transformador.

Conectores de tierra: Son piezas de cobre soldadas al tanque, para conectar el

transformador a la malla puesta a tierra.

Placa de caractersticas: Se instala en un lugar visible del transformador. En esta placa

se graban los datos ms importantes como son potencia, tensin, frecuencia, nmero

de fases, impedancia en porcentaje, nmero de serie, diagrama vectorial y de

conexiones, elevacin de temperatura, altura de operacin sobre el nivel del mar, tipo

de enfriamiento, porcentaje de variacin de tensin en los diferentes pasos del

cambiador de derivaciones, peso y ao de fabricacin.

15

Fig. 2.1 Partes de un transformador. [Jaimes Mara, 2004]

2.8.2. Descargadores de Sobretensin

Son dispositivos elctricos formados por una serie de elementos resistivos no lineales y

explosores que limitan las sobretensiones que se presentan en la subestacin.

Un descargador de sobretensin debe poseer tres caractersticas principales: [Jos Rall

Martn, 1990]

Comportarse como un aislador mientras que la tensin aplicada no exceda el voltaje

nominal del descargador.

Convertirse en conductor al alcanzar cierta sobretensin mayor al voltaje nominal del

descargador, y drenar a tierra la onda de corriente producida por la onda de sobretensin.

Una vez desaparecida la sobretensin el descargador debe comportarse nuevamente como

un aislador.

16

Los descargadores de sobretensin cumplen con las siguientes funciones: [Jos Rall

Martn, 1990]

1. Descargar las sobretensiones a tierra, cuando stas llegan al valor de la tensin de

cebado del descargador.

2. La corriente de descarga debe desaparecer al desaparecer la sobretensin.

3. No deben operar con sobretensiones temporales, de baja frecuencia.

4. La tensin residual debe ser menor que la tensin que resisten los aparatos que

protegen.

Los descargadores de sobretensin se pueden clasificar en tres grupos: [Jos Rall Martn,

1990]

a) Cuernos de arqueo: Son los descargadores de sobretensin ms primitivos y en el caso

ms sencillo pueden estar formados por un solo explosor, o varios explosores en serie,

conectados por un lado al circuito con tensin que se va a proteger, y por el otro a la malla de

puesta a tierra. Tal como se indica en la figura 2.2.

Fig. 2.2 Descargador cuernos de arqueo. [Jos Rall Martn, 1990]

17

Este descargador es el ms econmico, pero tiene el inconveniente de que una vez

originado el arco, en el explosor se ioniza el aire, y la corriente de descarga se transforma en

una corriente de cortocircuito a tierra que permanece despus de eliminarse la sobretensin, y

slo se puede eliminar mediante la apertura de un interruptor o fusible.

b) Descargadores Autovalvulares: Este grupo de descargadores, llamados convencionales,

estn constituidos por una serie de resistencias no lineales de carburo de silicio, prcticamente

sin parte inductiva, dispuestas como pequeos cilindros prensados. Las resistencias se

conectan en serie con un conjunto de explosores intercalados entre los cilindros, como se

observa en la figura 2.3.

Fig. 2.3 Descargador autovalvular. [Jos Rall Martn, 1990]

Las resistencias evitan que al momento de iniciarse la descarga en los explosores, se

produzca una corriente permanente. A su vez permiten disminuir las distancias entre los

electrodos, proporcionando mayor sensibilidad al descargador. [Jos Rall Martn, 1990]

18

Los cilindros semiconductores tienen la propiedad de disminuir su resistencia en presencia

de sobretensiones y de aumentarla a un valor prcticamente infinito, al regresar la tensin a su

valor nominal. Esto convierte al descargador en una vlvula de seguridad para las altas

tensiones, que funciona en el momento necesario, evitando la persistencia de la corriente de

cortocircuito sin que se produzcan oscilaciones secundarias.

c) Descargadores de xido Metlicos: Estn basados en investigaciones que se han

efectuado sobre las propiedades semiconductoras de los xidos metlicos. Estos, estn

constituidos por varias piezas de resistencia no lineal, de xido de zinc (ZnO), aglutinadas

dentro de una columna hueca de porcelana, sin entrehierros. En la parte superior de la

porcelana se ubica una placa relevadora de presin que, en caso de una sobretensin interna, se

rompe y permite escapar los gases hacia arriba sin producir daos laterales.

Las resistencias no lineales son pequeos cilindros, constituidos por partculas de xido de

zinc. Las partculas estn formadas por cristales de xido de zinc de unos 10 micrones,

rodeados de un material aglutinador de mayor resistencia elctrica que el cristal, el cual

permite una separacin entre los cristales al rededor de 0.1 micrn y permite cierto contacto

entre los cristales de xido, lo que ocasiona que el conjunto sea una resistencia no lineal. La

resistencia de los cristales es mucho menor que la del material aglutinador, de tal manera que

cuando se presenta una sobretensin en el descargador, casi toda la tensin aparece en la capa

aglutinadora; as se produce un fenmeno multiplicador de corriente, tpico de la electrnica

de estado slido y se obtiene una caracterstica extremadamente no lineal entre la tensin

aplicada y la corriente resultante, y el descargador presenta caracterstica casi ideales.

Funcionamiento del descargador de sobretensin

Al presentarse en el descargador una sobretensin, se produce arcos en los entrehierros del

descargador, la corriente resultante es limitada por las resistencias a pequeos valores, hasta

que la onda de corriente pasa por cero, y en ese momento los explosores interrumpen

definitivamente la corriente. En la figura 2.4 se observa el efecto de una onda de choque sobre

un descargador de sobretensin del tipo valvular, en donde:

Vc = Valor de la tensin mxima de la onda de choque.

19

El frente de onda, parecido a una funcin escaln, dura 1,2 s y alcanza el valor de la

mitad de Vc en un tiempo de 50 s. En la figura se observa que al iniciarse la onda de choque

en to sta empieza a crecer hasta llegar a V1, en este momento empieza a ionizarse el

entrehierro del explosor, sigue creciendo la tensin y al llegar a V2 se produce el arco entre las

terminales del explosor. A V2 se le llama tensin de cebado del descargador, a partir de la

cual, la tensin desciende rpidamente hasta llegar a V3 que se denomina tensin residual,

cuya magnitud aparece entre los terminales del descargador de tensin, en el momento en que

la corriente de descarga alcanza su valor mximo de intensidad Im, segn la expresin:

V3 = ImR (2.2)

Donde:

V3 : Tensin residual

R: Magnitud en ohms de la resistencia del descargador en el instante t3.

Im: Corriente mxima de descarga.

En la figura 2.4 se observa que el descargador reduce la onda de sobretensin del valor pico

V2 al valor de la tensin residual V3, en un tiempo muy breve, del orden de 8 s. [Jos Rall

Martn, 1990]

Fig. 2.4 Funcionamiento del descargador de tensin. [Jos Rall Martn, 1990]

20

2.8.3. Equipos de Maniobra

Son todos aquellos equipos de potencia, que se instalan en la subestacin para abrir o cerrar

circuitos elctricos. Existen tres tipos: [Jos Rall Martn, 1990].

INTERRUPTOR

Es un dispositivo cuya funcin es dar apertura o cierre a un circuito bajo carga, en

condiciones normales de funcionamiento del sistema, as como tambin bajo condiciones de

cortocircuito.

Fig. 2.5 Interruptor. [Jaimes Mara, 2004]

Est constituido por: [Jaimes Mara, 2004].

Cmara de extincin: En sta se realiza el cierre o apertura y est formada, a su vez, por:

Elemento de ruptura, el cual es un compartimiento donde se debilita y apaga el arco

elctrico.

Contactos fijos y mviles, son los elementos para conexin o desconexin elctrica del

circuito de potencia.

Medio de extincin, el cual tiene como funcin ayudar a la extincin del arco elctrico y

enfriar la cmara durante el proceso de extincin del arco elctrico.

21

Columna: En los interruptores de alta tensin, es el elemento intermedio entre el mecanismo

de accionamiento y la cmara de extincin. Por lo general, se utiliza como elemento soporte

para la cmara y como elemento de aislamiento a tierra de las partes con tensin del

interruptor. En su interior se encuentra el medio aislante (SF6, aceite, aire comprimido) y el

elemento de maniobra del contacto mvil (varilla de accionamiento).

Mecanismo de accionamiento: Es el sistema mediante el cual se aplica y/o se libera la

energa requerida para llevar a cabo el cierre o apertura del interruptor.

Existen tres tipos de mecanismo de accionamiento:

1. Hidrulico: Al aceite hidrulico se le aplica presin por medio de una motobomba y un

recipiente con nitrgeno a una presin inicial, de esta manera se obtiene la energa

necesaria para realizar la maniobra. Esta basado en la propiedad del pistn diferencial.

2. Resorte: Este sistema aplica, sobre el mecanismo de accionamiento, cierta energa

previamente acumulada en un resorte que ha sido comprimido, manualmente o por medio

de un motor elctrico.

Neumtico: Emplea aire comprimido como fuente de energa para el accionamiento del

interruptor. Algunos modelos emplean el principio del pistn diferencial y en otros se utiliza

una vlvula de mando. En ambos casos se utilizan electrovlvulas para las operaciones de

cierre y apertura. La fuente de aire comprimido se obtiene de un compresor incorporado al

mando del interruptor o por medio de una fuente central de aire comprimido.

Clasificacin de los interruptores:

Segn el mtodo de extincin existen seis (6) tipos:

Aceite

- Pequeo volumen

- Gran volumen

Hexafloruro de azufre (SF6)

Aire comprimido

Vaco

Soplado Magntico.

22

SECCIONADOR

Son dispositivos utilizados para conectar y desconectar diversas partes de la subestacin,

para realizar maniobras de operacin o para darles mantenimiento a equipos asociados.

Los seccionadores pueden abrir circuitos mientras tienen aplicada la tensin nominal pero

jams cuando fluye corriente a travs de ellos. Antes de abrir un juego de seccionadores

siempre deber abrirse el interruptor asociado, debido a que si no se hace de esta manera

ocurre un arco elctrico en los terminales del seccionador, que puede causar su destruccin y

destruir otros equipos. Adems esta mala maniobra como se mencion anteriormente causa

sobretensiones internas.

La diferencia entre un juego de seccionadores y un interruptor de potencia, considerando

que los dos abren o cierran circuitos, es que los seccionadores no pueden abrir un circuito con

corriente, sin que hayan consecuencias graves; y el interruptor s puede abrir cualquier tipo de

corriente, desde el valor nominal hasta el valor de cortocircuito. Existen fabricantes de

seccionadores que aaden al seccionador una pequea cmara de arqueo que contiene en su

interior el gas SF6, lo que le permite abrir, nicamente valores nominales de la corriente del

circuito. [Jos Rall Martn, 1990]

Un seccionador est compuesto por: [Jaimes Mara, 2004]

Columna de Aislamiento: Asla de tierra los puntos energizados del seccionador.

Cuchilla: Parte mvil de contacto que embraga con otra mvil o fija.

Base: Es el soporte metlico donde se fija el seccionador.

Terminales: Son las piezas a las cuales se fijan los conductores de entrada y salida del

seccionador, por medio de conectores.

23

Fig. 2.6 Seccionador. [Jaimes Mara, 2004]

Clasificacin de los seccionadores segn las condiciones de operacin [Jaimes Mara, 2004]

De lnea y barra: Se emplea para aislar un tramo y/o transferir un circuito.

Rompearco: Est equipado con cuernos rompearcos y es utilizado para energizar y

desenergizar transformadores en vaco.

De puesta a tierra: Se utiliza para la puesta a tierra de lneas o equipos, cuando en stos se

lleva a cabo una labor de inspeccin, mantenimiento o reparacin.

Seccionador de alta velocidad: Son aquellos con mando elctrico automtico, que

provocan una falla franca a tierra al momento de actuar las protecciones del transformador

al cual se encuentra asociado.

Tipo de mando de los seccionadores

Por prtiga: Es aquel, en el cual la maniobra se realiza por medio de una prtiga aislada

que se engancha a una pieza del seccionador.

Manual: Es aquel, en el cual la maniobra se efecta accionando manualmente una

transmisin mecnica. Este puede ser: directo, cuando el conjunto mecnico est montado

sobre la estructura del mismo seccionador; y a distancia cuando el conjunto mecnico no

est colocado en la estructura del seccionador y es operado a travs de un mecanismo de

transmisin.

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Elctrico: En este la operacin se efecta por medio de un motor elctrico. Esta accin se

puede realizar en forma local o remota.

Neumtico: Es aquel, en el cual el mando es accionado con aire comprimido. La maniobra

se efecta directamente o por medio de elementos elctricos (electrovlvulas).

2.8.4 Transformadores de Instrumentos

Son dispositivos electromagnticos cuya funcin es reducir, las magnitudes de tensin y

corriente que se utilizan para la proteccin y medicin de los diferentes circuitos de una

subestacin.

Los equipos de medicin y proteccin que se encuentran en los tableros de una

subestacin, no estn diseados para soportar grandes tensiones y grandes corrientes. Con el

objetivo de disminuir costos y los peligros de la alta tensin, dentro de los tableros de control

y proteccin, se utilizan transformadores de corriente y potencial que transforman las altas

tensiones y corrientes, a escalas reducidas. Normalmente estos transformadores se construyen

con sus secundarios, para corrientes de 5 amperios en el caso de transformadores de corriente,

y tensiones de 120 Voltios para el caso de transformadores de potencial. [Jos Rall Martn,

1990]

Los transformadores de corriente se conectan en serie con la lnea, y los transformadores de

potencial se conectan en paralelo, entre dos fases (transformadores convencionales) o entre

fase y neutro (transformadores del tipo unicornio).

2.8.5 Servicios Auxiliares

Son las instalaciones formadas por fuentes de alimentacin de corriente directa y de

corriente alterna, de baja tensin, cuya funcin es energizar los sistemas de control,

proteccin, sealizacin, alarmas y alumbrado de una subestacin, as como el sistema contra

incendio. [Jos Rall Martn, 1990]

Clasificacin de los Servicios Auxiliares: [Jaimes Mara, 2004]

Corriente Alterna: - Transformadores de Servicios Auxiliares

- Tableros

25

- Planta de Emergencia

Corriente Directa: - Rectificadores - Bateras

- Tableros

Sistema de Iluminacin: - Exterior:

- Interior:

- Normal

- Emergencia

- Normal

- Emergencia

Sistema de Aire Comprimido: - Estacin Central - Red de Aire Comprimido

Sistema de Tomacorriente: - Exterior - Interior

Sistema de Aire Acondicionado.

Corriente Alterna:

- Transformadores de Servicios Auxiliares

Segn el tamao de la subestacin, se instalan uno o dos transformadores trifsicos o

transformadores del tipo unicornio o bancos de transformadores monofsicos con las

siguientes caractersticas:

Capacidad: Segn requerimiento 1x25, 3x25, 1x50,

1x1000 kVA, entre otros.

Devanado primario

Tensin Nominal: 13.8 34.5

Devanado secundario

Tensin Nominal:

208-120 240-416 V 277-480 V (segn lo

requerido en la subestacin).

Conexin: Estrella con neutro a tierra

Grupo de Conexin: DY11, para el caso de bancos

Instalacin: Segn diseo normalizado

- Tablero de Servicios Auxiliares de Corriente Alterna

26

La salida de cada banco o transformador de servicios auxiliares alimentar a un tablero de

corriente alterna que tendr contactores magnticos y fusibles con la capacidad necesaria.

En el caso de que existan dos grupos de transformadores, los contactores magnticos

estarn enclavados entre s y enclavados tambin con el interruptor o seccionador de barra de

acople de alta tensin.

- Planta de Emergencia

Son aquellos equipos que permiten cubrir la falta de energa elctrica en los servicios

auxiliares de corriente alterna y adems se encargan de alimentar los sistemas de

comunicaciones. La capacidad de estos equipos vara segn la necesidad del sistema de los

servicios auxiliares.

Corriente Directa:

- Rectificadores: Son equipos que convierten la corriente alterna en continua. Normalmente

existen dos por cada subestacin, y operan en el sistema trifsico de 120-208 V o 270-480 V,

segn el caso.

La subestacin puede operar con un equipo rectificador, y en el caso de emergencias, puede

operar con ambos rectificadores en paralelo.

- Bateras: Son equipos que permiten acumular energa elctrica, su funcin es alimentar las

cargas ms importantes de los servicios de corriente continua cuando no se cuenta con la

alimentacin de los servicios de corriente alterna, permitiendo el accionamiento de los

sistemas de proteccin y mando de los equipos de maniobra. Existen bateras alcalinas y de

plomo-cido.

Los rectificadores permiten que los bancos de bateras operen bajo las condiciones

siguientes:

Rgimen de Flotacin: Esta es la condicin normal de operacin de un banco de bateras. Bajo

este rgimen, por el banco de bateras circula una pequea corriente de carga que permite

compensar las pequeas variaciones de tensin, originadas por el envejecimiento, la

temperatura, la carga, entre otros. Este rgimen permite mantener el banco de bateras

completamente cargado para utilizar a plena capacidad cuando se requiera.

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Rgimen de Igualacin: Cuando en una subestacin, por cualquier situacin de emergencia,

no se cuenta con corriente alterna, el banco de bateras debe proporcionar la corriente directa

requerida para el mando de equipos de maniobra, proteccin y alumbrado de emergencia. Una

vez normalizada la alimentacin de corriente alterna, el banco de bateras debe ser sometido a

un rgimen de IGUALACIN o CARGA RPIDA por un tiempo proporcional al de la

ausencia de la alimentacin de corriente alterna. Este rgimen permite al banco de bateras

recuperar su plena capacidad.

El Tablero de servicios auxiliares de corriente directa consta de:

Contactores magnticos para alimentacin de las barras de corriente directa por cada

rectificador y banco de bateras.

Interruptores automticos del tipo termomagnticos, para los circuitos de distribucin de

servicios auxiliares por tramo.

Con fines de sealizacin de alarmas, est provisto de:

Un rel detector de polo a tierra, para sealizar la existencia de

contacto de un polo del sistema de corriente directa a tierra, discriminndolo al mismo

tiempo.

Un rel de mnima tensin que, al energizarse, produce una

alarma de baja tensin, cuando se alcanza un valor de 90 V en el sistema de corriente

directa.

Sistema de Iluminacin:

Exterior: Normal

Est integrado por:

- Reflectores de 1000-2000 W, cada uno instalado en torres de iluminacin de 15 m.

- Reflectores menores de 1000 W, colocados en postes menores a 12 m de altura, o en los

prticos.

Interior: Normal

Constituye el conjunto de lmparas necesarias para garantizar la iluminacin requerida en

la sala de mando, sala de rels y edificaciones auxiliares.

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De Emergencia: Est distribuida de igual forma que la normal; pero con niveles de

iluminacin bajos, motivado a que son alimentados por los servicios auxiliares de corriente

directa.

Sistema de Tomacorriente:

Exterior: Ubicados en el patio de la subestacin, en cajetines tipo intemperie, con tensiones

de 120 V 440 V, corriente alterna, y de 110V corriente continua.

Tambin se encuentran en los gabinetes que estn en el patio y en los armarios de reparticin.

Interior: Distribuidas en salas de mando, rels y edificaciones auxiliares, de tal manera que

permita conectar equipos monofsicos con una extensin de 5 m, o trifsico con una extensin

de 10 m.

Sistema de Aire Comprimido:

Tiene por funcin, suministrar el aire comprimido necesario para el accionamiento de

interruptores y seccionadores, y permite suministrar tambin el aire utilizado como medio de

extincin en los interruptores del tipo aire comprimido. El sistema comprende:

Estacin Central

- Unidades compresoras

- Estacin central de vlvulas

- Sistema de control de mando

Red de aire comprimido

Constituye el conjunto de tuberas encargadas de distribuir el aire comprimido a los

diferentes lugares de la subestacin donde se necesite.

Sistema de Aire Acondicionado:

Su funcin es mantener la temperatura adecuada para el operador de guardia, y para los

diferentes equipos electrnicos. Comprende:

- Unidad centralizada, ubicada en salas de mando y rels.

- Unidad tipo ventana, ubicada en salas de mando no normalizadas y salas de equipos de alta

frecuencia como respaldo a la unidad centralizada o como equipo principal en

subestaciones pequeas.

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2.8.6 Equipos de Medicin

Se dividen en instrumentos indicadores y registradores: [Jaimes Mara, 2004]

Instrumento Indicador: Muestra en cualquier circunstancia el valor instantneo, eficaz,

promedio o pico de la cantidad medida. Se tienen:

- Voltmetros.

- Ampermetros.

- Vatmetros.

- Frecuencmetros.

- Posicin de Taps o derivaciones del transformador.

Instrumento Registrador: Permite registrar el valor instantneo, efectivo o promedio que

sucesivamente toma la cantidad que se est midiendo.

En la subestacin se tienen:

- Voltmetros

- Vatmetros

- Varmetro

- Frecuencmetro

- Oscilosperturbgrafos

- Contadores de Energa

2.9. SISTEMA DE COMPENSACIN

Est constituido por condensadores estticos en derivacin, en serie, y por reactancias, con

el objetivo de controlar la tensin en un circuito o en una barra mediante la inyeccin de

reactivos.

Condensador: Es un elemento que puede almacenar energa en forma de campo elctrico y

se emplea para aumentar el factor de potencia.

Banco de condensadores: Es un grupo de unidades capacitivas conectadas elctricamente

entre s.

30

Dispositivos de descarga: Es aquel capaz de reducir el voltaje residual a cero despus de

que el condensador ha sido desconectado de su alimentacin. Este dispositivo puede estar

conectado directamente a los terminales del condensador en su interior o a la barra de

alimentacin.

Tipos de Condensador: Segn su conexin, el Condensador puede ser:

En Derivacin

En Serie

El Condensador en Derivacin, generalmente, se conecta directamente a la barra de

distribucin de carga para disminuir las prdidas y cada de tensin (mejoramiento del factor

potencia).

El condensador en serie, se conecta en serie con los conductores de la lnea y se utiliza

para reducir la reactancia inductiva entre el punto de suministro y la carga.

Reactancia Shunt: Se conecta en paralelo con el circuito para compensar las corrientes

capacitivas; es decir, se emplea con factores de potencias adelantados o elevados. [Jaimes

Mara, 2004]

2.10. BARRAS COLECTORAS

Son el conjunto de conductores elctricos que se utilizan como conexin comn de los

diferentes circuitos de la subestacin. En una subestacin se pueden instalar uno o varios

juegos de barras que agrupen circuitos diferentes en uno o varios niveles de voltaje. [Jos

Rall Martn, 1990]

Las barras colectoras estn constituidas por los siguientes elementos:

- Conductores elctricos.

- Aisladores: Sirven de elemento aislante y de soporte mecnico del conductor.

- Conectores y herrajes: Se utilizan para unir los tramos de conductores y para sujetar el

conductor al aislador.

El diseo de las barras colectoras implica la seleccin apropiada del conductor en lo

referente al material, tipo y forma del mismo, a la seleccin de los aisladores y sus accesorios,

31

y a la eleccin de las distancias entre apoyos y entre fases. El diseo se hace en base en los

esfuerzos estticos y dinmicos a que estn sometidas las barras, y segn las necesidades de

conduccin de corrientes, disposiciones fsicas, entre otros. La seleccin final de las barras se

hace atendiendo aspectos econmicos, materiales existentes en el mercado y normas

establecidas.

Tipos de Barras:

Cables: Es un conductor formado por un haz de alambre trenzados en forma helicoidal. Es

el tipo de barra ms comnmente usado.

Tubos: Las barras colectoras tubulares se usan para llevar grandes cantidades de corriente,

especialmente en subestaciones de bajo perfil como las instaladas en zonas urbanas. El

uso de tubo en subestaciones compactas resulta ms econmico que el uso de otro tipo de

barra. En subestaciones con tensiones muy altas, reduce el rea necesaria para su

instalacin, adems requiere estructuras ms ligeras.

Barras de seccin rectangular: Es la ms utilizada para llevar grandes cantidades de

corriente (especialmente en interiores), se construyen de cobre o aluminio. Es

relativamente ms econmica que el tubo, pero tiene la desventaja de poseer baja

resistencia mecnica al pandeo debido a los esfuerzos de cortocircuito.

2.11. ESTRUCTURAS

Son los elementos de soporte de los equipos tipo intemperie de la subestacin, y, junto con

los aisladores, permiten tener distancias mnimas de separacin requeridas, entre las fases,

entre las fases y tierra y entre las partes energizadas y el personal que acceda al patio de la

subestacin. [Jaimes Mara, 2004]

Tipos de Estructura:

Prticos: Se utilizan para el amarre de lneas de transmisin y distribucin y para el

soporte de las barras, equipos de maniobra, entre otros.

Soporte de equipos: Estos se utilizan para soportar en forma separada los equipos

principales de la subestacin, tales como seccionadores, transformadores de medida,

32

descargadores de sobretensin, trampas de onda, condensadores de acoplamiento, entre

otros.

2.12. AISLADORES

Su funcin es aislar elctricamente las estructuras metlicas de las barras y conexiones

sometidas a tensin. [Jaimes Mara, 2004]

Tipos de Aisladores:

En una subestacin pueden ser:

a) De suspensin /amarre

Es aquel que forma una cadena; es decir, un grupo de dos o ms unidades unidas entre s,

cuya funcin es soportar de forma flexible a un conductor.

Cada unidad aisladora consta de:

- Una parte de porcelana vitrificada y de color marrn o de vidrio templado formando una

campana.

- Una pieza metlica llamada casquete, situada en la parte superior de la porcelana.

- Un vstago, situado en la parte inferior de la porcelana, cuya cabeza se acopla al

casquete de otro aislador.

Fig. 2.7 Aislador de suspensin/amarre. [Jaimes Mara, 2004]

b) De soporte: Es un aislador, que est destinado a soportar conductores sometidos

principalmente a esfuerzos mecnicos. Cada uno consta de:

33

- Aislador propiamente dicho, construido de porcelana marrn generalmente de forma

cilndrica, no hueca.

- Base y casquete metlicos y constituyen la parte inferior y superior del aislador soporte.

Se acoplan mediante tornillos a otros aisladores similares para formar columnas.

Fig. 2.8 Aislador de soporte. [Jaimes Mara, 2004]

2.13. SISTEMA DE CONDUCTORES Y ACCESORIOS [Jaimes Mara, 2004]

Tipos de Conductores:

Conductores desnudos: Estn formados por varios hilos, dispuestos en capas concntricas

de seccin circular, generalmente de aluminio, y son utilizados en las subestacin como

elementos de barras y conexiones.

Cables de baja tensin: Son aquellos alambres y cables monopolares de cobre, aislados

con material termoplstico hasta una tensin de 600V. Se utilizan en los sistemas de

control, iluminacin, sealizacin, proteccin, medicin, mando, entre otros.

Cables de potencia: Esta categora abarca a los conductores aislados usados para

transmitir y distribuir energa elctrica.

Accesorios:

Copas terminales, para ser colocadas en todo cable con pantalla para tensiones superiores

a 3 kV y existen del tipo interior e intemperie.

Cajas de empalme, empleadas para el empalme de conductores de baja tensin, a travs

de conectores a presin de cobre estaado.

2.14. SISTEMA DE PUESTA A TIERRA

Uno de los aspectos ms importantes para la proteccin contra sobretensiones en las

subestaciones, es una malla de puesta a tierra bien diseada, a la que se conectan los neutros

34

de los aparatos, los descargadores de sobretensin, los cables de guarda, las estructuras

metlicas, los tanques de los aparatos y todas aquellas otras partes metlicas que deben estar a

puestas a tierra. [Jos Rall Martn, 1990]

Es necesario contar con una malla de puesta a tierra en las subestaciones para cumplir con

las siguientes funciones:

- Proporcionar un camino de muy baja resistencia para la circulacin de las corrientes de

tierra, ya sean originadas por un cortocircuito o por la operacin de un descargador de

sobretensin.

- Evitar que al circular estas corrientes de tierra, se produzcan diferencias de potencial

elevadas, entre distintos puntos de la subestacin, generando peligro para el personal.

- Facilitar, mediante sistemas los sistemas respectivos, la interrupcin de las fallas a tierra.

- Dar mayor confiabilidad y continuidad al sistema elctrico.

Elementos que integran este sistema: [Jaimes Mara, 2004]

Malla de puesta a tierra: Constituida por conductores de cobre desnudo y barras de cobre.

La malla es enterrada a una profundidad adecuada y la configuracin es la de una retcula.

Cable de guarda: Su funcin es formar un escudo protector, de la subestacin, contra

descargas atmosfricas directas.

Puesta a tierra: Se refiere a las conexiones necesarias entre la malla de tierra y los equipos.

2.15. NIVEL DE AISLAMIENTO

Se denomina coordinacin de aislamiento de una instalacin elctrica, al ordenamiento de

los niveles de aislamiento de los diferentes equipos, de tal manera que al presentarse una onda

de sobretensin, sta se descargue a travs del elemento adecuado, que es el descargador de

sobretensin, sin producir arqueos ni daos a los equipos adyacentes.

La coordinacin de aislamiento compara las caractersticas de operacin de un descargador

de sobretensin, dada por sus curvas tensin- tiempo, contra las caractersticas de respuesta

del aislamiento del equipo por proteger, dadas tambin por sus propias curvas tensin -

tiempo. [Jos Rall Martn, 1990].

35

Fig. 2.9 Coordinacin de aislamiento. [Ricardo Stephens, Apuntes de clase de Subestaciones

Elctricas]

Donde:

Na: Nivel de aislamiento del sistema, queda fijado por la tensin de operacin.

Vc(FO): Tensin de cebado, del descargador de sobretensin, a frente de onda.

Vc(OP): Tensin de cebado, del descargador de sobretensin, a onda plena.

Vc(FI): Tensin de cebado, del descargador de sobretensin, a frecuencia industrial.

La norma IEEE 1313.1 Standard for Insulation Coordination, establece los niveles de

aislamiento que se muestran en la tabla 2.1. [IEEE, 1996].

Tabla 2.1 Niveles para Coordinacin de Aislamiento. [IEEE, 1996]

Voltaje mximo del sistema

(kV, rms)

Nivel de Aislamiento a Frecuencia

Industrial (Kv, rms)

Nivel bsico de aislamiento BIL

(kV, cresta)

15 34 95

110

26.2 50 150

36.2 70 200

48.3 95 250

72.5 95

140

250

350

121

140

185

230

350

450

550

145

230

275

325

450

550

650

169

230

275

325

550

650

750

242

275

325

360

395

480

650

750

825

900

975

1050

36

2.16. DISTANCIAS DIELCTRICAS EN LAS SUBESTACIONES

En una subestacin, para contar con una coordinacin de aislamiento adecuada, se deben

establecer distancias a travs del aire, entre partes con tensin de fases diferentes, y entre fase

y tierra. [Jos Rall Martn, 1990].

La norma CADAFE 158-88 Presentacin de proyectos de subestaciones de transmisin,

Gua tcnica para el clculo de juegos de barras establece los valores de distancias mnimas

de seguridad entre fases y entre fase y tierra, como se indica en la tabla 2.2. [CADAFE, 1998].

Tabla 2.2 Distancias de seguridad para instalaciones exteriores. [CADAFE, 1998]

Tensin

Nominal

(kV)

Nivel Bsico

de

Aislamiento

BIL (kV)

Distancia Mnima a

Masa(cm)

Distancia Mnima entre

Fases (cm)

Altura mnima a

Tierra (m)

Conductor Flexible Conductor Flexible Conductor Flexible

13,8 110 26 + f 60 7,5

34,5 200 53 + f 80 7,5

Donde:

f : Flecha mxima del conductor tendido.

Distancias mnimas de seguridad:

Se entiende como distancias mnimas de seguridad, a los espacios libres que permiten

circular y efectuar maniobras al personal dentro de la subestacin, sin que exista riesgo para

sus vidas y con un mnimo de operaciones durante las maniobras de trabajo.

Las distancias de seguridad a travs del aire estn constituidas por la sumatoria de dos

trminos, el primero es la distancia mnima de fase a tierra, correspondiente a cada nivel de

aislamiento, el segundo depende de la talla media de los operadores. [Jos Rall Martn, 1990]

Estas distancia pueden ser calculadas utilizando las siguientes expresiones: [Jos Rall

Martn, 1990]

mdd masah 9.0 (2.3)

mdd masav 25.2 (2.4)

37

Donde:

dh: distancia de seguridad horizontal que debe respetarse en todas las zonas de circulacin, en

metros.

dv: distancia de seguridad vertical que debe respetarse en todas las zonas de circulacin, en

metros. Nunca debe ser menor a los 3 m.

dmasa: distancia mnima a masa, en metros.

La siguiente figura muestra las distancias medias de operador:

Fig. 2.1 Dimensiones medias del operador. [Jos Rall Martn, 1990]

Como ya se mencion anteriormente la altura mnima de las partes vivas sobre el suelo en

zonas no protegidas por cercas, siempre debe ser superior a 3 metros, y la altura mnima sobre

el suelo, de la parte inferior de un aislador tipo columna, en zonas no protegidas, debe ser

superior a 2.25 metros, ya que el aislador se considera como una pieza sujeta a un gradiente de

tensin, cuya parte metlica inferior est al potencial de tierra. [Jos Ral Martn, 1990]

Circulacin de vehculos:

38

La distancia horizontal a las partes vivas ser de 0.7 metros mayor que la de fase a tierra,

esto para tener en cuenta las maniobras y la imprecisin en la conduccin del vehculo. La

distancia vertical a las partes vivas ser por lo menos igual a la distancia base para conexiones

rgidas, y en el caso de barras flexibles es igual a la distancia base ms 0.5 metros, para

absorber los movimientos de los cables.

El espacio o tamao de la pista, para la circulacin de vehculos con cargas pesadas se

determina tomando en cuenta las dimensiones exteriores del vehculo de mayor tamao que se

piense utilizar, incluido el transformador ms voluminoso que se instale en la subestacin.

[Jos Rall Martn, 1990].

39

CAPTULO III

MARCO METODOLGICO

En el presente captulo se expone el rea y tipo de investigacin, adems se muestran las

tcnicas utilizadas para la recoleccin de informacin.

REA DE LA INVESTIGACIN

El rea de la investigacin abarca el diseo electromecnico de una subestacin elctrica

34.5/13.8 kV tipo Radial, con el propsito de alimentar dos motores de 2000 HP cada uno y

dos circuitos de distribucin en el Patio de Tanques Silvestre en el Estado Barinas, PDVSA,

Divisin Centro Sur.

3.1 TIPO DE INVESTIGACIN

La investigacin tuvo carcter de proyecto tcnico apoyado en una investigacin de campo.

Para la Universidad de Los Andes (2008), segn el Manual de Normas de Trabajos de

Grado, un proyecto tcnico se define como: La elaboracin y desarrollo de una propuesta

viable para solucionar problemas, requerimientos o necesidades de una organizacin o grupo

social.

La investigacin asumi carcter de proyecto tcnico debido a que contribuye a la solucin

de un problema para satisfacer la necesidad de la empresa Petrolera PDVSA, de garantizar el

suministro seguro y confiable de energa elctrica al sistema principal de bombeo de crudo de

la Divisin Centro Sur.

Para la Universidad Pedaggica Experimental Libertador (1998), la investigacin de

campo: Se realiza en el propio sitio donde se encuentra el objeto de estudio. Ello permite el

conocimiento ms a fondo del problema por parte del investigador y puede manejar los datos

con ms seguridad. As podr soportarse en diseos exploratorios, descriptivos,

experimentales y predictivos.

40

La investigacin de campo para el presente estudio asumi un carcter descriptivo y

explicativo, debido a que se han tomado los datos de inters de la realidad del objeto de

estudio, mediante la observacin y descripcin de la situacin existente.

3.2 TCNICAS DE RECOLECCIN DE DATOS

Las tcnicas o herramientas para la recoleccin de informacin fueron las siguientes:

Observacin Directa:

Su uso tiende a generalizarse debido a que permite obtener informacin directa y confiable

mediante la visualizacin de equipos y dispositivos que conforman la subestacin.

Revisin de Registros:

Se realiza mediante la documentacin de inters existente en la empresa, como lo son

planos, reportes de demanda, normas de diseo.

Anlisis Documental:

Tiene como propsito analizar el material impreso de textos, manuales, normas para

sustentar la investigacin, especialmente en la elaboracin del marco terico.

41

CAPTULO IV

INGENIERA DE DETALLE PARA LA SUBESTACIN ELCTRICA

SILVESTRE, PDVSA DIVISIN CENTRO

En el presente captulo se desarrolla parte del diseo de la subestacin Silvestre, que ser

construida por PDVSA, Divisin Centro Sur, en el Patio de Tanques Silvestre, Estado Barinas.

El diseo se realiza sobre la base de las normas PDVSA, CADAFE, IEEE, entre otras.

4.1. ESQUEMA DE ACTIVIDADES

Para el diseo de la subestacin se realizaron las siguientes actividades:

Recopilacin de los requerimientos de PDVSA: configuracin de la subestacin, niveles de

tensin y capacidad instalada requerida en la subestacin.

Determinacin geogrfica de la subestacin.

Recopilacin de informacin necesaria para el diseo: estudio de resistividad del terreno

del lugar donde se construir la subestacin, datos para el anlisis de cortocircuito,

caractersticas del medio ambiente, caractersticas generales del sistema elctrico.

Determinacin de la demanda inmediata de la subestacin.

Realizacin del estudio de cortocircuito.

Distribucin de los equipos en patio.

Clculo de la barra para 34.5 kV.

Clculo de la barra para 13.8 kV.

Clculo de los descargadores de sobretensin.

Coordinacin de aislamiento.

Dimensionamiento de la subestacin.

Diseo del sistema de apantallamiento contra descargas atmosfricas.

Diseo de las acometidas subterrneas para los motores de 2000 HP.

Diseo del sistema de iluminacin del patio de la subestacin.

Diseo de la malla de puesta a tierra.

Elaboracin en AutoCAD de los siguientes planos: diagrama unifilar, planos de planta,

malla de puesta a tierra, cortes transversales y frontales de la subestacin.

42

Especificacin de los equipos de la subestacin.

4.2. RECOPILACIN DE LOS REQUERIMIENTOS DE PDVSA

PDVSA, Divisin Centro Sur, Distrito Barinas, ha requerido una Subestacin Elctrica

34.5/13.8 kV, como parte del proyecto Reemplazo de Motores en PTS. PDVSA solicit que

la subestacin se diseara con las siguientes premisas:

Dos entradas trifsicas en 34.5 kV, con un interruptor de potencia, de llegada a la barra,

para cada lnea de entrada.

La barra en 34.5 kV tendr un esquema de barra simple seccionada.

Se instalarn dos transformadores 34.5/13.8 kV de 5 MVA cada uno, con bushings areos

tanto en el lado de 34.5 kV como en el lado de 13.8 kV. Cada transformador ser

alimentado desde la barra de 34.5 kV por medio de un interruptor de potencia.

Las salidas de los transformadores llegarn a la barra de 13.8 kV por medio de dos

reconectadores.

La barra de 13.8 kV, al igual que la de 34.5 kV, tendr un esquema de barra simple

seccionada.

Se tendrn cuatro salidas trifsicas, en 13.8 kV, cada una protegida con un reconectador.

La subestacin estar ubicada en el Patio de Tanques Silvestre, en el estado Barinas.

Sobre la base de la informacin entregada por PDVSA, se elabor el plano del diagrama

unifilar general, el cual puede observarse en el plano: E-01 DIAGRAMA UNIFILAR.

4.3. DETERMINACIN GEOGRFICA DE LA SUBESTACIN

4.3.1 Visita a PTS

Se realiz una reunin en el Patio de Tanques Silvestre para proponer el lugar de

construccin de la subestacin, a esta reunin asistieron representantes de las gerencias de

Coordinacin Operacional, Servicios Elctricos y de la Superintendencia de Proyectos

Mayores. A continuacin se muestran las fotografas del lugar propuesto:

43

(a) Vista 1

(b) Vista 2

(c) Vista 3. Trampa de Envio/Recibo/Filtro de crudo.

Fig. 4.1 (a), (b), (c) y (d). Terreno propuesto para la construccin de la subestacin elctrica Silvestre.

44

En el plano anexo R-01 PLANTA PTS, se puede apreciar el terreno propuesto para

construccin de la subestacin y la ubicacin de las vistas antes expuestas. En el plano R-02 se

muestra un plano del rea operacional PDVSA Distrito - Barinas, con nfasis a la ubicacin

geogrfica del Patio de Tanques Silvestre.

4.3.2 Verificar que el lugar propuesto cumpla con las normas correspondientes

El lugar propuesto cuenta con un rea de 57x45 m2, este terreno colinda en uno de sus

lados con el oleoducto que transporta toda la produccin de crudo de los estados Barinas y

Apure hasta la Refinera El Palito en el estado Carabobo. Segn la norma PDVSA IR-E-01, se

considera como rea no Clasificada a los espacios adecuada e inadecuadamente ventilados

donde las sustancias inflamables estn contenidas en sistemas cerrados de tuberas, adecuados

y bien mantenidos y no contengan vlvulas, accesorios, bridas o artefactos similares. Casi todo

el tramo de oleoducto que colinda con el terreno propuesto, es rea No Clasificada a

excepcin de una trampa de Envo de crudo, ubicado al fondo del terreno tal como se observa

en la figura 4.1 Vista 1, en el plano anexo E-02 CLASIFICACIN DE REAS PTS se

puede observar el lugar propuesto para la construccin de la subestacin. Es de inters el

detalle N 8 del plano E-02, el cual muestra el detalle de una trampa de Envo de crudo, all se

observa que todo el espacio que est alejado en un radio de 3 metros de la trampa ya no

constituye un rea clasificada.

Ahora, en la norma PDVSA IR-M-01, Manual de Ingeniera de Riesgo Separacin entre

equipos e instalaciones se indica que las Subestaciones Elctricas, debern ubicarse en la

periferia de las dems instalaciones, con una separacin bsica de 15 metros con el resto de

equipos que manejan hidrocarburos.

Por lo expuesto anteriormente, la cerca perimetral de la subestacin deber estar alejada al

menos 15 metros del oleoducto y de todas aquellas instalaciones existentes en el Patio de

Tanques Silvestre que manejen hidrocarburos.

Con el fin de cumplir con la norma previamente mencionada, ahora las dimensiones del

terreno disponible, para la subestacin elctrica Silvestre, se reducen a 54x40 m2. Mas

adelante en el Captulo IV se muestra que despus de distribuir los equipos en patio, las

dimensiones de la subestacin se reducen nuevamente, y en definitivas sern 50x40 m2.

45

4.4. RECOPILACIN DE INFORMACIN NECESARIA PARA EL DISEO

4.4.1 Resistividad del terreno del lugar donde se construir la subestacin

De acuerdo a los datos suministrados por PDVSA, el terreno en el cual se construir la

subestacin es un suelo estratificado, cuyos valores de resistividad fueron obtenidos en

estudios previos utilizando un modelo de dos capas o estratos [PDVSA, 2003], estos valores se

muestran en la tabla 4.1.

Tabla 4.1 Modelacin del suelo de PTS. [PDVSA, 2003]

TIPO DE SUELO Resistividad 1

( -m)

Resistividad 2

( -m)

Profundidad 1era Capa

H (m)

Estratificado 305.8 150 4.20

4.4.2 Datos para el anlisis de cortocircuito

En la tabla 4.2 se muestra el aporte al cortocircuito del sistema principal de alimentacin de

la Subestacin Silvestre, este sistema de alimentacin est formado por las dos lneas de

entrada de la subestacin. La informacin fue suministrada por PDVSA. [PDVSA, 2008]

Tabla 4.2 Corrientes de falla en la barra de 34.5 kV. [PDVSA, 2008]

Corriente de falla trifsica

(A)

Corriente de falla

monofsica

(A)

1700 1120

Estas corrientes representan el aporte al cortocircuito de las lneas de entrada a la

Subestacin Silvestre. Ms adelante se muestra un anlisis de cortocircuito que no slo toma

en cuenta las corrientes de la tabla 4.2, sino tambin el aporte al cortocircuito de los dos

motores de 2000 HP.

4.4.3 Condiciones ambientales de diseo

Las condiciones ambientales de diseo se muestran a continuacin, en la tabla 4.3:

[PDVSA, 2008]

46

Tabla 4.3 Condiciones ambientales de diseo. [PDVSA, 2008]

Descripcin Unidad Parmetro

Tipo de servicio - Continuo

Temperatura ambiente mxima C 45

Temperatura ambiente mnima C 15

Temperatura ambiente promedio anual C 30

Altitud sobre el nivel del mar. m 1000

Humedad relativa media % 95

Radiacin solar mxima MJ/m2 17.34

Velocidad mxima (Vientos) km/ h 110

Velocidad con rfagas (Vientos) km/ h 120

Contaminacin por deposito de sal sobre la

superficie aislante

0,056

Sismos Mg/ cm2 Zona tipo 4 segn norma

NS-P- 420

Clima - Tropical

Temperatura promedio interna en

edificaciones con aire acondicionado. C 20

Temperatura interna de tableros y gabinetes

de uso externo

No sobrepase el rango de

equipos instalados

ndice Pluviomtrico mm/ao 700 1500

Nivel Cerunico Das/ao 60

Densidad Regional de Descargas Descargas/Km2/ao 6,4

Presin atmosfrica mbar 1015

4.4.4 Caractersticas generales del sistema elctrico

Todos los equipos a suministrarse debern cumplir con las siguientes caractersticas

elctricas (Tabla 3.4). [PDVSA, 2008]

Tabla 4.4 Caractersticas elctricas del sistema. [PDVSA, 2008]

Caracterstica UNIDAD 34,5 kV 13.8 kV 240/120 V

Tensin nominal del sistema kVrms 34,5 13,8 0,48

Tensin mxima del sistema kVrms 38,0 17,5 2,2

Nivel de aislamiento a frecuencia industrial kVrms 70,0 50 10,0

Nivel de aislamiento a onda de impulso recortada kVcresta 230 110 30

47

Nivel de aislamiento a onda completa kVcresta 200 95 25

Tiempo de perforacin s 3,0 1,5 1,5

Frecuencia Hz 60 60 60

Nmero de fases 3 3 3

Nivel mximo de cortocircuito simtrico kA 25 25 25

Duracin mxima admisible de cortocircuito s 1 1 1

Distancia mnima de fuga mm/kV 25 25 25

Tiempo de despeje de fallas ms 80 80 80

Tensin mxima de radio interferencia medida a 0,5

MHz a travs de impedancia 300 V 2500 250 2500

4.5 DETERMINACIN DE LA DEMANDA INMEDIATA DE LA SUBESTACIN

En principio, las cargas de la subestacin sern los dos motores elctricos de 2000 HP, los

dos circuitos de distribucin de PTS y los servicios auxiliares de la subestacin. A

continuacin se muestra, en la tabla 3.5, el consumo de estas cargas.

Tabla 4.5 Cargas de la subestacin Silvestre.

Cargas Potencia (MVA)

Motor N1 1,729

Motor N2 1,729

Circuito N1 PTS 1,20

Circuito N2 PTS 1,30

Servicios auxiliares 0.0375

Total 6,00

El consumo en MVA de los motores es un valor tomado de la hoja de datos de los mismos,

esta puede observarse en los anexos digitales. El consumo en MVA de los circuitos N 1 y N

2 de PTS fue suministrado por PDVSA.

48

4.6. ESTUDIO DE CORTOCIRCUITO

4.6.1. Falla trifsica

Fig. 4.2 Diagrama Unifilar de la Subestacin.

NOTA: T3 y T4 no pertenecen a la subestacin.

MVA de cortocircuito:

(4.1)

Donde:

MVAcc3 : Mega Voltios Amperios de cortocircuito.

VL: Voltaje de lnea.

Icc3 : Corriente de cortocircuito.

Base Comn:

MVAbase = 10 MVA

33 3 CCLCC IVMVA

49

Vbase = 34,5 kV, en la barra A.

Vbase = 13,8 kV, en la barra B.

Vbase = 4.16 kV, en la barra C.

Vbase = 4.16 kV, en la barra D.

Ecuaciones para referir las reactancias de los transformadores a la Base Comn: [Ernesto

Mora, apuntes de clase de Sistemas de Potencia].

(4.2)

Donde:

MVAbase: Potencia aparente de la base comn.

XT: Reactancia en por unidad del transformador, en la base del transformador.

MVAT: Potencia aparente del transformador.

XT P.U: Reactancia en por unidad del transformador, en la base Comn.

Datos del sistema de potencia:

Transformadores:

Tabla 4.6 Especificaciones de los transformadores. [Ernesto Mora, apuntes de clase de Sistemas de

Potencia]

Motores:

Tabla 4.7 Especificaciones de los motores. [GE MOTORS, 2007]

Potencia

(HP)

Potencia

(MVA)

Voltaje primario

(kV)

Corriente

nominal (A)

M1 2000 1,729 4,16 240

M2 2000 1,729 4,16 240

Potencia (MVA) Voltaje

primario (kV)

Voltaje secundario

(kV)

Reactancia

(p.u)

T1 5 34,5 13,8 0,08

T2 5 34,5 13,8 0,08

T3 2,5 13,8 4,16 0,055

T4 2,5 13,8 4,16 0,055

T

base

TUPTMVA

MVAXX .

50

Reactancias del sistema en la base comn:

- Sistema de alimentacin:

Sustituyendo en la ecuacin 4.1 el voltaje de las lneas de alimentacin (34.5 kV) y la

corriente de cortocircuito trifsica, de la tabla 4.2, se obtiene,

Estos son los MVAcc del sistema de alimentacin, ahora la reactancia del sistema de

alimentacin en la base comn se calcula dividiendo los MVA de la base comn por los MVA

de cortocircuito del sistema de alimentacin. Este valor se refleja en la tabla 4.8.

- Transformadores:

Sustituyendo en la ecuacin 4.2 los valores correspondientes para cada transformador, se

obtienen las reactancias en por unidad de los todos los transformadores que se muestran en la

figura 4.2. Todos estos valores de estas reactancias se encuentran en la tabla 4.8.

- Motores:

La corriente a rotor bloqueado de un

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