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SUBESTACIÓN OCOA 115/34,5/13,8 kV
MEMORIA DE COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO
SUBESTACIÓN OCOA PROYECTO AMPLIACIÓN DE
BAHIAS DE LÍNEA 115 KV
DOCUMENTO IEB 939
939-12-101
REVISIÓN 0
Medellín, Febrero de 2013
SUBESTACIÓN OCOA 115 kV
Página ii de iv
CONTROL DE DISTRIBUCIÓN
Copias de este documento han sido entregadas a:
Nombre
Dependencia
Empresa
Copias
Las observaciones que resulten de su revisión y aplicación deben ser informadas a IEB S.A.
CONTROL DE REVISIONES
Revisión No.
0
Aspecto revisado
Fecha
Emisión Inicial
16/03/2013
CONTROL DE RESPONSABLES
NÚMERO DE REVISIÓN
Nombre
Elaboración
2
JLO/OSR
15/03/2013
Nombre
OSR
Firma
Fecha
16/03/2013
Nombre
Aprobación
1
Firma
Fecha
Revisión
0
OSR
Firma
Fecha
16/03/2013
Participaron en la elaboración de este informe:
OSR
Oscar Alonso Sanchez R.
JLO
Jhonatan Londoño Ospina
Archivo: IEB-939-12-101(0)_Memoria de Coordinación de Aislamiento
SUBESTACIÓN OCOA 115 kV
Página iii de iv
Tabla de contenido
1
OBJETO ............................................................................................................................... 12
2
ALCANCE DEL DOCUMENTO ........................................................................................... 12
3
CARACTERÍSTICAS DEL SITIO Y DEL SISTEMA ........................................................... 12
4
METODOLOGÍA PARA LA COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO ................................... 12
4.1
DETERMINACIÓN DE LAS SOBRETENSIONES REPRESENTATIVAS (Urp) .................. 13
4.1.1
Tensión a frecuencia industrial ............................................................................................ 13
4.1.2
Sobretensiones temporales ................................................................................................. 13
4.1.3
Sobretensiones representativas temporales ........................................................................ 14
4.1.4
Sobretensiones de frente lento ............................................................................................ 14
4.2
(Ucw)
DETERMINACIÓN DE LAS TENSIONES DE SOPORTABILIDAD PARA COORDINACIÓN
16
4.2.1
Sobretensiones temporales ................................................................................................. 16
4.2.2
Sobretensiones de frente lento ............................................................................................ 16
4.2.3
Sobretensiones de frente rápido .......................................................................................... 17
4.3
(Urw)
DETERMINACIÓN DE LAS SOBRETENSIONES DE SOPORTABILIDAD REQUERIDAS
18
4.3.1
Factor de seguridad ............................................................................................................. 18
4.3.2
Factor de corrección atmosférico ......................................................................................... 18
4.3.3
Tensiones de soportabilidad requeridas .............................................................................. 18
4.4
CONVERSIÓN A TENSIONES DE SOPORTABILIDAD NORMALIZADAS (Uw) ................ 20
4.4.1
Conversión a tensión de soportabilidad de corta duración a frecuencia industrial (SDW) .. 20
4.4.2
Conversión a tensión de soportabilidad del impulso tipo rayo (LIW) ................................... 21
4.5
SELECCIÓN DE LAS TENSIONES DE SOPORTABILIDAD NORMALIZADAS ................ 21
4.6
VERIFICACIÓN DE DESCARGADORES DE SOBRETENSIONES 115 kV EN LAS
LLEGADAS DE LINEA ...................................................................................................................... 21
4.6.1
Tensión continua de operación (COV) ................................................................................. 22
4.6.2
Sobretensión temporal (TOV) .............................................................................................. 22
4.6.3
Tensión nominal del descargador de sobretensiones ......................................................... 22
4.6.4
Energía en el dispositivo de protección contra sobretensiones ........................................... 22
4.7
DISTANCIAS MÍNIMAS EN AIRE ........................................................................................ 23
5
CONCLUSIONES ................................................................................................................ 25
6
REFERENCIAS.................................................................................................................... 12
ANEXO 1 ........................................................................................................................................... 25
Archivo: IEB-939-12-101(0)_Memoria de Coordinación de Aislamiento
SUBESTACION OCOA115 kV
Página iv de iv
Lista de tablas
Tabla 1. Tensión base .......................................................................................................................13
Tabla 2. Distancia Específica Mínima Nominal .................................................................................13
Tabla 3. Factores de conversión para rango I ..................................................................................20
Tabla 4. Correlación entre el Nivel de Soportabilidad al Impulso Tipo Rayo y las Distancias
Mínimas en el Aire .....................................................................................................................24
Lista de anexos
Anexo 1
EQUIPOS DE LA SUBESTACIÓN A 115 kV
Archivo: IEB-939-12-101(0)_Memoria_Coordinación_de_Aislamiento_Ocoa_115kV
SUBESTACION OCOA 115 kV
1
Página 12 de 25
OBJETO
Verificar el cumplimiento de los niveles de tensión requeridos para los equipos de
protección contra sobretensiones de la nuevas bahías de línea en la Subestación
Ocoa a 115 kV, presentando la metodología, los datos y los resultados del estudio
de coordinación de aislamiento. Para esta ampliación, se tomarán como base, los
equipos existentes en la Subestación.
2
ALCANCE DEL DOCUMENTO
El alcance de este documento comprende dos aspectos:
•
Verificar el nivel de aislamiento de los equipos a 115 kV correspondientes a
la ampliación de las bahías de línea en la subestación Ocoa 115 kV.
•
Realizar recomendaciones relacionadas con la determinación de las
características de los descargadores de sobretensión, que serán empleados
en la dicha ampliación.
3
CARACTERÍSTICAS DEL SITIO Y DEL SISTEMA
En el documento IEB-939-12-100 “Informe de visita Subestación Ocoa proyecto
ampliación de bahía de línea” se definen los aspectos relacionados con las
características del sitio y del sistema.
4
METODOLOGÍA PARA LA COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO
El procedimiento de coordinación de aislamiento consiste en la determinación de
las resistencias dieléctricas de los equipos con relación a los esfuerzos de tensión
que se pueden presentar teniendo en cuenta las características de los elementos
de protección. Para la determinación del nivel de aislamiento de los equipos de
las subestaciones se sigue un método determinístico para seleccionar los
aislamientos internos (no-autorrestaurables) y un método probabilístico
simplificado de la norma IEC 60071-2 para establecer los aislamientos externos
(autorrestaurables).
Los principales pasos para la coordinación de aislamiento son:
•
Determinación de las sobretensiones representativas (Urp)
•
Determinación de las tensiones de soportabilidad para coordinación (Ucw)
•
Determinación de las tensiones de soportabilidad requeridas (Urw)
•
Determinación de las tensiones de soportabilidad normalizadas (Uw)
4.1
Página 13 de 25
DETERMINACIÓN DE LAS SOBRETENSIONES REPRESENTATIVAS (Urp)
4.1.1 Tensión a frecuencia industrial
Para propósitos de coordinación de aislamiento es considerado igual al voltaje
más alto del sistema, en este caso corresponde a la máxima de tensión de diseño
de los equipos de patio Us = Um y la tensión base, Ubase:
Ubase = Um ⋅ 2
3
Tabla 1. Tensión base
Tensión asignada al equipo (Um) Tensión base (Um√
√2/√
√3)
123 kV
100,0 kV
La Tabla 2 muestra las diferentes distancias específicas mínimas para los
diferentes niveles de contaminación según la norma IEC 60071-2.
Tabla 2. Distancia Específica Mínima Nominal
Nivel de polución
Distancia específica mínima
nominal (mm/kV)
Ligero
16,0
Medio
20,0
Alto
25,0
Muy alto
31,0
La subestación se encuentra localizada en una zona de bajo nivel de
contaminación industrial y expuesta a vientos y lluvia, de acuerdo a la Tabla 2 se
considera un nivel de contaminación II (Medio) de donde se obtiene una distancia
de fuga específica mínima nominal de 20 mm/kV.
4.1.2 Sobretensiones temporales
Se consideran los valores para las sobretensiones sugeridas en la norma
IEC 60071-2, los cuales incluyen factores que llevan a resultados conservativos.
4.1.2.1 Sobretensiones por fallas a tierra
La ocurrencia de una falla a tierra en un determinado punto del sistema lleva a un
aumento de la tensión fase - tierra en las fases sanas cuyo valor depende del
grado de aterrizamiento del sistema.
Si el sistema está sólidamente puesto a tierra, la norma IEC 60071 indica que la
máxima sobretensión eficaz normalmente no sobrepasa 1,4 veces la tensión
Página 14 de 25
máxima eficaz fase - tierra del sistema. Para sistemas con neutro aislado, las
sobretensiones alcanzan hasta 1,73 veces la tensión eficaz máxima.
U rp ( p − e) = K ⋅
US
3
[kV]
(1)
En Dónde:
K:
Factor de falla a tierra (Ver anexo B de la norma IEC 60071-2)
Us:
Máxima tensión del sistema, kV
4.1.2.2 Sobretensiones por rechazo de carga
Otra fuente de sobretensiones temporales es el rechazo de carga el cual produce
sobretensiones que afectan el aislamiento fase – fase y fase – tierra.
US
Fase a tierra:
U rp ( p − e) = k ⋅
Fase a fase:
U rp ( p − p) = k ⋅ U S
3
[kV]
(2)
[kV]
(3)
Dónde:
k:
Factor de sobretensión por rechazo de carga
4.1.3 Sobretensiones representativas temporales
Las sobretensiones representativas temporales considerando las anteriores
fuentes no simultáneamente son:
Fase a tierra:
U rp ( p − e)
Fase a fase:
U rp ( p − p )
4.1.4 Sobretensiones de frente lento
4.1.4.1 Impulsos que afectan los equipos en la entrada de la línea
energización extremo remoto
La re-energización desde el extremo remoto resulta en impulsos de sobretensión
fase a tierra Ue2 y fase a fase Up2, seleccionados a partir de la Figura 1 y la
Figura 2 de la norma IEC 60071-2. Las sobretensiones representativas para los
equipos en la entrada de la línea sin tener en cuenta los descargadores de
sobretensiones son los siguientes:
Uet = 1,25 ⋅ Ue 2 − 0,25
[kV]
(4)
U pt = 1,25 ⋅U p 2 − 0,43
[kV]
(5)
Página 15 de 25
Dónde:
Ue2:
Valor de la sobretensión fase a tierra que tiene una probabilidad del 2% de
ser excedido.
Uet:
Valor de sesgamiento de la distribución acumulada de las sobretensiones
fase a tierra
Up2:
Valor de la sobretensión fase a fase que tiene una probabilidad del 2% de
ser excedida.
Upt:
Valor de sesgamiento de la distribución acumulada de las sobretensiones
fase a fase
4.1.4.2 Impulsos que afectan todos los equipos energización extremo local
La energización y re-energización local (extremo emisor) resulta en impulsos de
sobretensión menos críticos que para el extremo receptor, con el fin de ser
conservativos se seleccionan los valores extremos recomendados por la norma
IEC 60071-2.
U et = 1,25 * U e 2 − 0,25
[kV]
(6)
U pt = 1,25 * U p 2 − 0,43
[kV]
(7)
4.1.4.3 Descargadores de sobretensiones en la entrada de la línea
energización desde el extremo remoto
Con el fin de controlar las sobretensiones por energización de la línea en el
extremo remoto se instalan descargadores de sobretensiones en la entrada de la
línea con las siguientes características de protección:
•
•
El NPM: (Ups, Nivel de protección al impulso tipo maniobra) es igual a la
máxima tensión residual para impulsos de corrientes de maniobra, 1 kA.
El NPR: (Upl, Nivel de protección para el impulso tipo rayo) es la tensión
máxima residual para un impulso atmosférico a la corriente nominal de
descarga, 10 kA.
Con el uso de descargadores de sobretensiones, las sobretensiones
representativas pueden ser dadas directamente por Ups para las sobretensiones
fase a tierra o 2Ups para las sobretensiones fase a fase si los valores de protección
son menores a los máximos esfuerzos de sobretensión Uet y Upt de frente lento.
Las sobretensiones de frente lento representativas son:
•
Para todos los otros equipos:
Fase a tierra:
U rp ( p − e)
Fase a fase:
•
Página 16 de 25
U rp ( p − p )
Para equipo a la entrada de la línea:
Fase a tierra:
U rp ( p − e)
Fase a fase:
U rp ( p − p )
4.2
DETERMINACIÓN DE LAS TENSIONES DE SOPORTABILIDAD PARA
COORDINACIÓN (Ucw)
4.2.1 Sobretensiones temporales
Para esta clase de sobretensiones, la tensión de soportabilidad de coordinación es
igual a la sobretensión representativa temporal, por lo tanto el factor de
coordinación Kc es igual a 1.
Fase a tierra:
U cw = U rp ⋅ K c
[kV]
(8)
Fase a fase:
U cw = U rp ⋅ K c
[kV]
(9)
4.2.2 Sobretensiones de frente lento
La tensión de coordinación de soportabilidad es obtenida multiplicando el valor
máximo de la sobretensión representativa por un factor de coordinación
determinístico Kcd el cual depende de la relación entre el nivel de protección al
impulso de maniobra de los descargadores de sobretensiones Ups y el valor de la
sobretensión fase a tierra Ue2, en la Figura 6 de la norma IEC 60071-2 se muestra
la relación.
4.2.2.1 Factor de coordinación determinístico:
•
Para equipo a la entrada de la línea:
Fase a tierra:
U ps
Fase a fase:
2⋅
•
U e2
⇒ K cd
U ps
U p2
⇒ K cd
(10)
(11)
Para todos los otros equipos:
Fase a tierra:
U ps
U e2
⇒ K cd
(12)
2⋅
Fase a fase:
•
U ps
U p2
⇒ K cd
Página 17 de 25
(13)
Las tensiones de coordinación serán
U cw = K cd xU rp
[kV]
(14)
4.2.3 Sobretensiones de frente rápido
La metodología estadística simplificada de la norma IEC 60071-2 permite calcular
la tensión mínima de soportabilidad de los equipos mediante la siguiente ecuación:
U cw = U pl +
A
L
⋅
n Lsp + La
[kV]
(15)
Dónde:
Ucw:
Tensión soportable de coordinación al impulso atmosférico, [kV]
Upl:
Nivel de protección al impulso tipo rayo del descargador de sobretensiones,
[kV]
A:
Factor dado en la Tabla F.2 de la norma IEC 60071-2 que describe el
comportamiento de la línea ante las descargas eléctricas atmosféricas, [kV]
n:
Número de líneas conectadas a la subestación, (n-1)
L:
Separación equivalente entre el descargador de sobretensiones más
cercano y el equipo en consideración, obtenido de:
L = a1 + a2 + a3 + a4
[m]
(16)
a1 :
Longitud de la conexión del descargador de sobretensiones a la línea, [m]
a2 :
Longitud de la conexión a tierra del descargador de sobretensiones, [m]
a3 :
Longitud del conductor de fase entre el descargador de sobretensiones y el
equipo a proteger para el aislamiento interno y para el aislamiento externo,
[m]
a4 :
Longitud de la parte activa del descargador de sobretensiones [m]
Lsp:
Longitud del vano de las líneas, [m]
La:
Sección de línea aérea calculada a partir de una tasa de salida igual a una
tasa de falla aceptable, Ra
Ra :
Tasa de falla aceptable para el equipo, 0,0125 [fallas/año] (1 falla/80 años)
Rkm:
Tasa de fallas por año del primer kilómetro de línea desde la subestación,
[fallas/año/km]
La =
Ra
Rkm
[km]
Página 18 de 25
(17)
Las sobretensiones de frente rápido afectan los aislamientos fase a fase y fase a
tierra de igual forma.
4.3
DETERMINACIÓN DE LAS SOBRETENSIONES DE SOPORTABILIDAD
REQUERIDAS (Urw)
Las tensiones de soportabilidad requeridas son obtenidas aplicando a las
tensiones de soportabilidad para coordinación dos factores de corrección:
Ka:
Factor de corrección que tiene en cuenta la altitud de la instalación
Ks :
Factor de seguridad
4.3.1 Factor de seguridad
El factor de seguridad es aplicable a cualquier tipo de sobretensión fase - fase y
fase - tierra (temporal, frente lento, frente rápido).
•
•
Para aislamiento interno ks = 1,15
Para aislamiento externo ks = 1,05
4.3.2 Factor de corrección atmosférico
El factor de corrección atmosférico está definido por la siguiente ecuación:
Ka = e
 H 
m⋅

 8150 
(18)
Dónde:
H: Altura sobre el nivel del mar, [m]
m: 1,0 para la coordinación de las tensiones de soportabilidad al impulso tipo rayo.
m: De acuerdo a la Figura 9 de la norma IEC 60071-2 para la coordinación de las
tensiones de soportabilidad al impulso de maniobra.
m: 1,0 para voltajes de soportabilidad de corta duración a frecuencia industrial de
distancias en el aire y de aisladores.
4.3.3 Tensiones de soportabilidad requeridas
Los valores para las tensiones de soportabilidad requeridas son obtenidos
aplicando la siguiente ecuación:
U rw = U cw ⋅ K s ⋅ K a
[kV]
(19)
Página 19 de 25
4.3.3.1 Para sobretensiones temporales:
•
Aislamiento externo
Fase a tierra
[kV]
(20)
Fase a fase
[kV]
(21)
•
Aislamiento interno
Fase a tierra
U rw = U cw ⋅ K s
[kV]
(22)
Fase a fase
U rw = U cw ⋅ K s
[kV]
(23)
4.3.3.2 Para sobretensiones de frente lento:
Equipo a la entrada de la línea
•
Aislamiento externo
Fase a tierra
[kV]
(24)
Fase a fase
[kV]
(25)
Para otros equipos
•
Aislamiento externo
Fase a tierra
[kV]
(26)
Fase a fase
[kV]
(27)
•
Aislamiento interno
Fase a tierra
U rw = U cw ⋅ K s
[kV]
(28)
Fase a fase
U rw = U cw ⋅ K s
[kV]
(29)
4.3.3.3 Para sobretensiones de frente rápido:
•
Aislamiento externo
Fase a tierra
[kV]
(30)
Fase a fase
[kV]
(31)
•
Aislamiento interno
Fase a tierra U rw
= U cw ⋅ K s
[kV]
(32)
U rw = U cw ⋅ K s
Fase a fase
4.4
Página 20 de 25
[kV]
(33)
CONVERSIÓN A TENSIONES DE SOPORTABILIDAD NORMALIZADAS
(Uw)
En el rango I (hasta 245 kV) el nivel de aislamiento es normalmente descrito por la
tensión soportada a frecuencia industrial y la tensión soportada al impulso tipo
rayo. La Tabla 3 muestra los factores de conversión requeridos, obtenidos de la
Tabla 2 de la norma IEC 60071-2.
Tabla 3. Factores de conversión para rango I
Aislamiento
Tensión de soportabilidad
de corta duración a
frecuencia industrial
Tensión de
soportabilidad al
impulso tipo rayo
0,6+Urw/8500
0,6+Urw/12700
0,6
1,05+Urw/6000
1,05+Urw/9000
1,3
0,5
1,10
0,5
1,00
Aislamiento externo (seco)
- Fase a tierra
- Fase a fase
Aislamiento limpio, húmedo
Aislamiento interno
- Aislamiento inmerso en
liquido
- Aislamiento sólido
Urw: Es la tensión de soportabilidad requerida para el impulso de maniobra
4.4.1 Conversión a tensión de soportabilidad de corta duración a frecuencia
industrial (SDW)
•
Aislamiento externo
Fase a tierra:
SDW = U rw ⋅ (0,6 + U rw 8.500)
[kV]
(34)
Fase a fase:
SDW = U rw ⋅ (0,6 + U rw / 12.700)
[kV]
(35)
Para otros equipos
•
Aislamiento externo
Fase a tierra:
SDW = U rw ⋅ (0,6 + U rw 8.500)
[kV]
(36)
Fase a fase:
SDW = U rw ⋅ (0,6 + U rw 12.700)
[kV]
(37)
•
Aislamiento interno
Fase a tierra:
SDW = U rw ⋅ 0,5
[kV]
(38)
Fase a fase:
SDW = U rw ⋅ 0,5
Página 21 de 25
[kV]
(39)
4.4.2 Conversión a tensión de soportabilidad del impulso tipo rayo (LIW)
•
Aislamiento externo
Fase a tierra:
LIW = U rw ⋅1,3
[kV]
(40)
Fase a fase:
LIW = U rw ⋅ (1,05 + U rw / 9.000)
[kV]
(41)
Para otros equipos
•
Aislamiento externo
Fase a tierra:
LIW = U rw ⋅ 1,3
[kV]
(42)
Fase a fase:
LIW = U rw ⋅ (1,05 + U rw / 9.000)
[kV]
(43)
•
Aislamiento interno
Fase a tierra:
LIW = U rw ⋅1,1
[kV]
(44)
Fase a fase:
LIW = U rw ⋅1,1
[kV]
(45)
4.5
SELECCIÓN
DE
NORMALIZADAS
LAS
TENSIONES
DE
SOPORTABILIDAD
De acuerdo a la Tabla 2 de la norma IEC 60071-1 se seleccionan unos valores
normalizados de aislamiento correspondientes a un sistema con una tensión
máxima Um, estos niveles de aislamiento cubrirán cualquier aislamiento externo e
interno fase - fase y fase - tierra.
En rango I, los valores requeridos de soportabilidad al impulso de maniobra fase tierra son cubiertos por la prueba de corta duración a frecuencia industrial. Los
valores de soportabilidad al impulso de maniobra fase - fase son cubiertos por la
prueba de corta duración a frecuencia industrial o por la prueba de soportabilidad
al impulso tipo rayo.
4.6
VERIFICACIÓN DE DESCARGADORES DE SOBRETENSIONES 115 kV
EN LAS LLEGADAS DE LINEA
A continuación se indican los cálculos con los cuales se realizará la verificación de
los descargadores de sobretensión a la llegada de las líneas.
Página 22 de 25
4.6.1 Tensión continua de operación (COV)
COV =
Us
3
[kV]
(46)
4.6.2 Sobretensión temporal (TOV)
TOV = Ke × COV
[kV]
(47)
Ke: Factor de falla a tierra
4.6.3 Tensión nominal del descargador de sobretensiones
La tensión nominal del dispositivo de protección contra sobretensiones R, es el
valor mayor entre Ro y Re.
Ro =
COV
Ko
[kV]
(48)
Ko: Factor de diseño del dispositivo de protección contra sobretensiones.
Re =
TOV
Kt
[kV]
(49)
Kt: Representa la capacidad del descargador de sobretensiones de soportar
sobretensiones temporales.
4.6.4 Energía en el dispositivo de protección contra sobretensiones
Los pararrayos deben ser capaces de absorber la energía debida a los transitorios
de tensión en el sistema. Los transitorios de tensión se pueden presentar por:
•
Cierre y recierre de líneas
•
Descargas atmosféricas
Con el conocimiento de los niveles de protección, la energía absorbida por los
pararrayos en cada uno de los casos anteriores puede ser calculada.
4.6.4.1 Cierre y recierre de líneas
W=
2Ups * (Ue − Ups ) * Tw
Z
Dónde:
W:
Energía absorbida
Ups: Nivel de protección al impulso de maniobra
Ue: Sobretensión esperada sin pararrayos
Z:
Impedancia característica de la línea
Página 23 de 25
Tw: Tiempo de viaje de la onda, el cual es igual a la longitud del tramo de línea
por la velocidad de propagación
Tw =
Longitud linea km
300m / µs
4.6.4.2 Descargas atmosféricas
W = [2Uf − NUpl * (1 + ln(2Uf / Upl ))] *
Upl * Tl
Z
Dónde:
W:
Energía absorbida
Upl: Nivel de protección al impulso tipo rayo
Uf :
Tensión de flameo inverso negativo de la línea
Z:
Impedancia característica de la línea
N:
Número de líneas asociadas al descargador de sobretensión
Tl: Duración equivalente de la corriente de la descarga, 3,0E-04 segundos
incluyendo la primera y las descargas subsecuentes (Valor recomendado por la
norma IEC60099-5)
4.7
DISTANCIAS MÍNIMAS EN AIRE
Para los equipos en rango I, las distancias en el aire fase a fase y fase a tierra son
determinadas de acuerdo al nivel de aislamiento al impulso tipo rayo. En la Tabla 4
(Tabla A1 de la norma IEC 60071-2) se muestra esta relación.
Página 24 de 25
Tabla 4. Correlación entre el Nivel de Soportabilidad al Impulso Tipo Rayo y
las Distancias Mínimas en el Aire
Distancia mínima en el aire [mm]
Tensión de soportabilidad al impulso
tipo rayo [kV]
Varilla-estructura
Conductor-estructura
20
40
60
75
95
125
145
170
250
325
450
550
650
750
850
950
1050
60
60
90
120
160
220
270
320
480
630
900
1100
1300
1500
1700
1900
2100
1600
1700
1900
NOTA:
•
•
Para la distancia mínima fase a tierra es aplicable la configuración conductor-estructura y varillaestructura.
Para la distancia mínima fase a fase, es aplicable la configuración varilla-estructura.
Página 25 de 25
5
CONCLUSIONES
•
De acuerdo a los resultados obtenidos en el presente estudio, el nivel de
aislamiento seleccionado para los equipos de la subestación es adecuado
frente a las sobretensiones que puedan presentar en la subestación si se
considera la instalación de dispositivos de protección contra sobretensiones a
la llegada de las líneas. El nivel de protección contra impulsos tipo rayo (BIL)
de los equipos es de 550 kV.
•
Para este nivel de protección contra impulsos tipo rayo, de acuerdo a la Tabla
A1 de la norma IEC 60071-2 la distancia mínima en el aire para los equipos en
la ampliación bajo consideración es de 1100 mm.
•
De acuerdo a los valores de tensiones de soportabilidad requeridas en el
Anexo 1, las sobretensiones a frecuencia industrial para aislamiento externo
fase – fase Urw(c), tanto para los equipos a la entrada de la línea como para
los otros equipos no son cubiertas por el nivel de protección por maniobra del
descargador Npm pero esto representa un problema debido a que la relación
entre las sobretensiones tipo impulso atmosférico y sus respectivas
sobretensiones a frecuencia industria, es mayor a 1.7, garantizando así que
estas últimas serán cubiertas por el nivel de protección del descargador ante
impulso atmosférico Npl.
•
Se verifico la coordinación de aislamiento para los equipos de los nuevos
campos de línea, de lo cual se concluye que se deberán conservar las mismas
distancias mínimas de seguridad y los niveles de aislamiento para estos.
Instalando el mismo tipo de descargador marca SIEMENS a la entrada de las
líneas.
6
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REFERENCIAS
[1]
REGLAMENTO TÉCNICO DE INSTALACIONES ELÉCTRICAS (RETIE)
MINISTERIO DE MINAS Y ENERGÍA, RESOLUCIÓN Nº 18 0195 de 2009.
[2]
IEC STANDARD 60071-1 - 2006, INSULATION
DEFINITION, PRINCIPLES AND RULES
CO-ORDINATION:
[3]
IEC STANDARD 60071-2
APPLICATION GUIDE
CO-ORDINATION:
[4]
IEC STANDARD 60099-5 - 2000, SURGE ARRESTERS: SELECTION AND
APPLICATION RECOMMENDATIONS
[5]
SWITCHGEAR MANUAL.
-
1996,
INSULATION
Página 25 de 25
ANEXO 1
SUBESTACIÓN OCOA
EQUIPOS DE LA SUBESTACIÓN A 115 KV
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SUBESTACIÓN OCOA
EQUIPOS DE LA SUBESTACIÓN A 115 kV
SELECCIÓN DE LAS TENSIONES DE SOPORTABILIDAD NORMALIZADAS
A continuación se presentan los pasos para a realizar para la coordinación de
aislamiento de las bahías de línea en 115 kV.
Paso 1: Determinación de las sobretensiones representativas (Urp)
Power-frecuency voltage
Us phase-to-phase kV
1.0 p.u. en kV (pico)
123,00
100,43
Temporaly overvoltages
Earth faults
Load rejection
Earth-fault factor: k =
1,40
Urp (p-e) en kV
99,42
Max. overvoltage p.u.=
1,40
Urp (p - e) en kV
Urp (p - e) en kV
99,42
172,20
Resulting representative overvoltages
Phase-to-earth: Urp (p-e) en kV
99,42
Phase-to-phase: Urp (p-e) en kV
172,20
Slow-front overvoltages
Overvoltages originating from station 2
Overvoltages originating from station 1
Re-energization
Energization and re-energization
Ue2 en p.u.
3,26
Ue2 en p.u.
2,09
Ue2 en p.u.
4,87
Ue2 en p.u.
3,11
Uet en p.u.
Upt en p.u.
3,83
5,65
Uet en p.u.
Upt en p.u.
2,36
3,46
Uet en kV
Upt en kV
384,46
567,58
Uet en kV
Upt en kV
237,01
347,70
Aresters at line entrace and near tranformers:
For line entrance equipment
Ups en kV
195
Up1 en kV
235
For other equipment
With or without capcitor switching
Ue1 > Ups y Upt > 2 Ups
Phase-to-earth en kV: Urp = Ups =
Phase-to-phase en kV: Urp = 2 Ups =
Fast-front overvoltages
195
390
Urp (p-e) en kV
Urp (p-p) en kV
195
348
Evaluación del paso 2
Notas:
1. En el nivel de 115 kV se tiene un sistema sólidamente puesto a tierra, de
acuerdo a la recomendación de la norma IEC 60071, el factor de falla a
tierra no es superior a 1,4 en este tipo de sistema, siendo un valor
conservativo y por ello se asume para realizar los cálculos.
2. Las sobretensiones por rechazo de carga producen sobretensiones fase a
fase y fase a tierra del orden de 1,4, valor recomendado por la norma.
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3. El nivel de protección del descargador de sobretensión al impulso de
maniobra, Ups es igual a 195 kV y el nivel de protección del descargador de
sobretensión al impulso tipo rayo, Upl es igual a 235 kV (descargador
Siemens tipo 3EL2_096_2PJ31_4DA2).
Paso 2: Determinación de las tensiones de soportabilidad para coordinación (Ucw)
Kc factor =
Temporaly overvoltages
Phase-to-earth, en kV:
Phase-to-phase, en kV:
Ucw = Kc x Urp =
Ucw = Kc x Urp =
1,0
99,42
172,2
Slow front overvoltages
Deterministic method used = Kcd factor
Line entrance equipment (externa insulation only)
Other equipment
Phase-to-earth
Phase-to-phase
Phase-to-earth
Phase-to-phase
Ups/Ue2=
0,60
Ups/Ue2=
0,80
Ups/Ue2=
0,93
Ups/Ue2=
1,25
Kcd =
1,10
Kcd =
1,03
Kcd =
1,06
Kcd =
1,00
Retained value
Kcd =
1,10
Ucw = Kcd x Urp
Ucw =
215
Retained value
Kcd =
1,06
Ucw = Kcd x Urp
Ucw =
400
Ucw = Kcd x Urp
Ucw =
206
Ucw = Kcd x Urp
Ucw =
348
Simplified statistical method used
Fast-front overvoltages
Data from experience
Performance required
Parameter A =
Span length Lsp =
Outage rate =
Acceptable failure rate =
Arrester lighthing protection level, Upl =
Max. Separation from internal insulation, L =
Max. Separation from external insulation, L =
235,00
46,46
56,46
Internal insulation
External insulation
Ucw en kV
Ucw en kV
kV
m
m
La, en m =
4500
250,00
0,05
0,01
m
km/y
years
250,00
444
489
Notas:
•
Para el cálculo las sobretensiones de frente rápido se tienen los siguientes
parámetros:
•
Longitud del vano de las líneas, 250 m.
•
Parámetro A, 4500 kV.
•
Ra, tasa de falla aceptable para el equipo 1 falla/80 años.
•
Rkm, 5 salidas al año por cada 100 km de línea.
•
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Las distancias de protección del aislamiento interno y externo fueron tomadas
del plano IEB-939-12-PE.001 hoja 2.
Paso 3: Determinación de las tensiones de soportabilidad requeridas (Urw)
Safety factor
Atmospheric correction factor
Power frecuency withstand
Phase-to-earth
Internal insulation Ks =
External insulation Ks =
1,15
1,05
Altitude H, en m =
500
Switching impulse withstand
lightning impulse withstand
Phase-to-phase
Phase-to-earth
Phase-to-phase
Valor m =
1,0
1,0
1,0
1,0
Valor Ka =
1,1
1,1
1,1
1,1
Phase-to-phase
Internal insulation = Urw = Ucw x Ks
External insulation = Urw = Ucw x Ks x Ka
Required withstand voltages
Power frecuency withstand
Phase-to-earth
Switching impulse withstand
lightning impulse withstand
Phase-to-earth
Phase-to-phase
Phase-to-earth
Phase-to-phase
Phase-to-earth
Phase-to-phase
Internal
insulation kV
114
Internal
insulation kV
198
Internal
insulation kV
511
External
insulation kV
192
Line entrance
equipment
External
insulation kV
446
Other
equipment
internal
insulation kV
400
External
insulation kV
388
Internal
insulation kV
511
External
insulation kV
111
Line entrance
equipment
External
insulation kV
239
Other
equipment
internal
insulation kV
237
External
insulation kV
230
External
insulation kV
546
External
insulation kV
546,00
Notas:
1. El factor de corrección atmosférico Ka se toma igual a 1,06 teniendo en
cuenta que la subestación Ocoa 115 kV se encuentra a una altura
aproximada de 500 m sobre el nivel del mar.
2. El valor de m se considera unitario para las sobretensiones por maniobra
fase-fase y las atmosféricas fase - fase y fase - tierra. Para las
sobretensiones a frecuencia industrial se utiliza el valor de m unitario ya que
resulta en valores más conservadores.
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Paso 4: Determinación de las tensiones de soportabilidad normalizadas (Uw)
Conversion of switching impulse
withstand voltages to short duration
power frecuency withstand voltages
Conversion of switching impulse withstand
voltages to lighthing impulse withstand
voltages
Conversion factors
Externa insulation
- Phase-to-earth
0.6 + Urw/8500
- Phase-to-phase
0.6 + Urw/12700
Conversion factors
Externa insulation
- Phase-to-earth
1,3
- Phase-to-phase
1.05 + Urw/9000
Externa insulation
- Phase-to-earth
- Phase-to-phase
Externa insulation
- Phase-to-earth
- Phase-to-phase
0,5
0,5
Line entrance
equipment
External insulation
kV
- Phase-to-earth
150
- Phase-to-phase
284
Line entrance
equipment
Other equipment
External insulation
kV
- Phase-to-earth
311
- Phase-to-phase
491
External insulation
kV
- Phase-to-earth
299
- Phase-to-phase
424
Other equipment
External insulation
kV
- Phase-to-earth
144
- Phase-to-phase
245
internal insulation
kV
- Phase-to-earth
118
- Phase-to-phase
200
1,1
1,1
internal insulation kV
- Phase-to-earth
260
- Phase-to-phase
440
En la siguiente tabla se muestra el resumen de las tensiones de soportabilidad
requeridas Urw(s) y su correspondiente valor a las tensiones de conversión Urw(c).
Resumen de las tensiones de soportabilidad requeridas
kV r.m.s para
frecuencia industrial
kV pico para impulsos
de maniobra y rayo
Aislamiento externo
Equipos entrada
de línea
Otros equipos
Aislamiento
interno
Urw(s)
Urw(c)
Urw(s)
Urw(c)
Urw(s)
Urw(c)
111,0
150,43
111,0
144,16
114,3
118,40
(2)
192,2
(2)
198,0
199,9
236,8
(1)
Frecuencia
industrial
Fase-tierra
Fase-fase
192,2
Impulso de
maniobra
Fase-tierra
239,5
Fase-fase
446,5
Impulso
atmosférico
Fase-tierra
546,0
311,3
546,0
298,9
510,7
260,5
Fase-fase
546,0
490,97
546,0
424,34
510,7
439,84
283,6
(1)
229,9
244,8
(1)
388,2
399,9
De acuerdo a la Tabla 2 de la norma IEC 60071-1 y al cálculo anterior, se
seleccionan los valores normalizados de aislamiento correspondientes a un
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sistema con una tensión máxima Um, estos niveles de aislamiento cubrirán
cualquier aislamiento externo e interno fase-fase y fase-tierra. Para el aislamiento
interno y externo se seleccionan las siguientes tensiones de soportabilidad.
•
230 kV para la tensión de soportabilidad de corta duración a frecuencia
industrial, a tierra y entre polos.
•
550 kV para la tensión de soportabilidad al impulso atmosférico, a tierra y entre
polos.
Este nivel de aislamiento es el requerido en las características garantizadas para
el aislamiento de las nuevas bahías de línea en esta subestación.
Notas:
(1) En rango I, los valores requeridos de soportabilidad al impulso de maniobra
fase a tierra son cubiertos por la prueba de corta duración a frecuencia
industrial fase tierra. Los valores de soportabilidad al impulso de maniobra
fase a fase son cubiertos por la prueba de corta duración a frecuencia
industrial o por la prueba de soportabilidad al impulso tipo rayo.
(2) La tensión de soportabilidad de corta duración a frecuencia industrial
adoptada garantizará la soportabilidad a frecuencia industrial fase-fase, ya
que la relación entre la sobretensión tipo rayo fase-fase y el voltaje estándar
de corta duración a frecuencia industrial es mayor a 1,7 (numeral A.1 del
anexo A de la norma IEC 60071-2).
VERIFICACIÓN DE DESCARGADORES DE SOBRETENSIONES 115 kV EN
LAS ENTRADAS DE LINEA
A continuación se indican los cálculos con los cuales se realizará la verificación de
los descargadores de sobretensión a la llegada de las líneas.
Tensión continua de operación (COV)
COV =
Us
3
=
123 kV
3
= 71 [kV]
Sobretensión temporal (TOV)
TOV = Ke × COV
[kV]
(50)
Ke: Factor de falla a tierra, que para el caso es de 1,4 por ser el sistema
sólidamente puesto a tierra.
TOV = 1, 4 × 71 kV = 99 .4
[kV]
Tensión nominal del descargador de sobretensiones
La tensión nominal del dispositivo de protección contra sobretensiones R, es el
valor mayor entre Ro y Re.
Ro =
COV
Ko
Página 30 de 25
[kV]
(51)
Ko: Factor de diseño del dispositivo de protección contra sobretensiones. Para
este caso es Ko = 0,8
71
= 88.8
0,8
TOV
Re =
Kt
Ro =
[kV]
[kV]
(52)
Kt: Representa la capacidad del descargador de sobretensiones de soportar
sobretensiones temporales. Este valor depende del tiempo de duración de la
sobretensión temporal y normalmente está representando la característica de
tensión a frecuencia industrial contra tiempo. De acuerdo a la característica del
descargador seleccionado para este sistema, las sobretensiones soportables son
las siguientes:
Característica de sobretensiones temporales del descargador de sobretensiones
TABLA DE FACTORES Kt
Tiempo de duración de
sobretensión temporal
Kt
1
s
1.15
10
s
1.075
De acuerdo con la anterior se selecciona Kt = 1.15 para un tiempo de despeje de
falla de 1 s, que es lo esperado cuando el sistema está sólidamente puesto a
tierra.
Re =
99.4 kV
= 86.5
1.15
[kV]
Dado que Ro>Re, la tensión nominal del dispositivo de protección contra
sobretensiones debe ser igual a Ro multiplicado por un factor de seguridad que
para sistemas mayores de 100 kV es del 5 %. Así la tensión nominal del
descargador de sobretensiones es:
R = 1,05 × Ro = 1,05 ∗ 88.8 = 93.2
[kV]
De acuerdo con la norma IEC 60099-3 y para dar cumplimiento a las
características garantizadas el valor normalizado tomado es de 96 kV, el cual
posee los niveles de protección descritos previamente:
•
•
El NPM:
El NPR:
Nivel de protección al impulso tipo maniobra (1 kA): Ups = 195 kV.
Nivel de protección al impulso tipo rayo (10 kA): Upl = 235 kV.
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Esto niveles de protección fueron obtenidos del catálogo del fabricante de los
descargadores de sobretensión y las características técnicas garantizadas de
acuerdo con la referencia 3EL2_096_2PJ31_4DA2 con una distancia de fuga de
3.820 mm.
Energía en el dispositivo de protección contra sobretensiones
Los pararrayos deben ser capaces de absorber la energía debida a los transitorios
de tensión en el sistema. Los transitorios de tensión se pueden presentar por:
•
•
Con el conocimiento de los niveles de protección, la energía absorbida por los
pararrayos en cada uno de los casos anteriores puede ser calculada.
•
W=
2Ups * (Ue − Ups ) * Tw
Z
Dónde:
W:
Energía absorbida
Ups: Nivel de protección al impulso de maniobra, 195 kV
Ue: Sobretensión esperada sin pararrayos, (3,26 p.u) 328 kV
Z:
Impedancia característica de la línea, 450 Ohmios
Tw: Tiempo de viaje de la onda, el cual es igual a la longitud del tramo de línea
por la velocidad de propagación
Tw =
Longitud linea km
300m / µs
En este caso, la línea más larga es hacia la subestación Apiay con una longitud de
67 km, que corresponde a un tiempo de viaje de la onda de 223,3 microsegundos.
La capacidad de energía requerida por el pararrayos, W:
W=
•
25,7 kJ
W = [2Uf − NUpl * (1 + ln(2Uf / Upl ))] *
Upl * Tl
Z
Dónde:
W:
Energía absorbida
Upl: Nivel de protección al impulso tipo rayo, 235 kV
Uf :
Tensión de flameo inverso negativo de la línea, 835 kV
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Z:
Impedancia característica de la línea, 450 Ohmios
N:
Número de líneas conectadas al pararrayos, 2 líneas
Tl: Duración equivalente de la corriente de la descarga, 3,0E-04 segundos
incluyendo la primera y las descargas subsecuentes (Valor recomendado por la
norma IEC60099-5)
La capacidad de energía requerida por el pararrayos, W:
W=
43,6 kJ
La capacidad de energía requerida que cumpla para cada uno de los casos será
de 43,6 kJ que corresponde a una capacidad de energía específica de
0,45 kJ/kVUr.
El pararrayos a suministrar tiene una capacidad de energía específica de
8 kJ/kVUr, que corresponde a una capacidad de 768 kJ, cumpliendo con la
capacidad de energía definida en las características garantizadas.

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