memoria de calculo de coordinación de aislamiento

8/18/2019 Memoria de Calculo de Coordinación de Aislamiento

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SUBESTACIÓN DANA

MC-L-006 INGENIERÍA BÁSICA Y DE DETALLE PARA SUBESTACIÓN ELÉCTRICA DE 85 kV A 23 kV

OT: FECHA: MARZO 2016 HOJA: 1 de 17

MEMORIA DE CÁLCULO DE COORDINACION DE AISLAMIENTO 1

MEMORIA DE CÁLCULO DE COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO

SUBESTACIÓN ELÉCTRICA

MC-L-006

INGENIERÍA ELÉCTRICA

PROYECTO:

INGENIERÍA BÁSICA Y DE DETALLE PARA SUBESTACIÓN ELÉCTRICA DE 85 kV A 23 kV EN

DANA TLALNEPANTLA EDO. DE MÉXICO.

MÉXICO D. F.

B MAR/16 PARA APROBACIÓN Y/O COMENTARIOS MAR/16

A DIC/15 CHEQUEO CRUZADO DIC/15

REV. FECHA DESCRIPCIÓN APROBADO FECHA

CLIENTE: DANA MÉXICO NúmeroDocumento: MC-L-006

POR: REVISÓ: APROBÓ: REV.: FECHA:VHGD MAQS SIEMENS B MAR/16


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

2.

CONDICIONES AMBIENTALES............................................................................................. 3

3. CRITERIOS DE DISEÑO. ....................................................................................................... 4

4. CÁLCULO DE COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO. ........................................................... 6

5. DETERMINACIÓN DEL AISLAMIENTO ................................................................................. 7

6. DISTANCIA DE FUGA DE LOS AISLADORES EN FUNCIÓN DE LOS NIVELES Y TIPODE CONTAMINACIÓN. ................................................................................................................. 11

7. ANEXOS ............................................................................................................................... 15


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1. INTRODUCCIÓN

Los sistemas de aislamiento en líneas de alta tensión comprenden principalmente dos elementos:el aire y los elementos aisladores. Al ubicarse las líneas de transmisión al aire libre y cubrir, en muchoscasos, cientos de kilómetros se hace necesario considerar diversos factores para un buen desempeñodel aislamiento. Estos factores deben tomar en cuenta los espaciamientos mínimos línea-estructura,línea-tierra y entre fases, el grado de contaminación del entorno, la cantidad de elementos aisladoresa considerar y la correcta selección de estos.

Los aisladores cumplen la función de sujetar mecánicamente el conductor manteniéndolo aislado de

tierra y de otros conductores. Deben soportar la carga mecánica que el conductor transmite a la torre através de ellos. Deben aislar eléctricamente el conductor de la torre, soportando la tensión encondiciones normales y anormales, y sobretensiones hasta las máximas previstas (que los estudios decoordinación del aislamiento definen con cierta probabilidad de ocurrencia).

La tensión debe ser soportada tanto por el material aislante propiamente dicho, como por su superficiey el aire que rodea al aislador. La falla eléctrica del aire se llama contorneo, y el aislador se proyectapara que esta falla sea mucho más probable que la perforación del aislante sólido.

Surge la importancia del diseño, de la geometría para que en particular no se presenten en el cuerpodel aislador campos intensos, que inicien una crisis del sólido aislante.

2. CONDICIONES AMBIENTALES.

El Municipio de Tlalnepantla de Baz, se localiza en la porción nororiente del Estado de México, yforma parte de la región Valle Cuautitlán Texcoco y de la Zona Metropolitana del Valle de México. Seencuentra dividido en dos porciones no continuas separadas por el Distrito Federal, a las que se lesdenomina Oriente y Poniente, las cuales se encuentran geográficamente entre las siguientescoordenadas: Latitud 19º 30´ longitud 99º 12´ (INEGI) Coordenadas geográficas extremas: Norte: 19°35’ 40’’ de latitud norte. Sur: 19° 30’ 07’’ de latitud norte. Oriente: 99° 05’ 00’’ de longitud oeste. Poniente:

99° 15’ 22’’ de longitud oeste.

La atmósfera tiene un ambiente Templado Subhúmedo con lluvias en veranoPresión atmosférica 567.31 mmHg

Temperatura media máxima 27.30 ºC

Temperatura media mínima 10.30 ºC

Temperatura media anual 15.5 ºC

Humedad Relativa Promedio 38 %

Altitud 2250 m.s.n.m.


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3. CRITERIOS DE DISEÑO.

MATERIALES DE LOS AISLADORES.

Históricamente se han utilizado distintos materiales, porcelana, vidrio, y actualmente materialescompuestos, y la evolución ha ocurrido en la búsqueda de mejores características y reducción decostos.

PORCELANA. Es una pasta de arcilla, caolín, cuarzo o alúmina, se le da forma, y por horneado seobtiene una cerámica de uso eléctrico. Este material es particularmente resistente a compresión por loque se han desarrollado especialmente diseños que tienden a solicitarlo de esa manera.

VIDRIO. Cristal templado que cumple la misma función de la porcelana, se trabaja por moldeadocolándolo, debiendo ser en general de menos costo.

Se puede afirmar que en general la calidad de la porcelana puede ser más controlada que la del vidrio,esta situación es evidenciada por una menor dispersión de los resultados de los ensayos de rotura.

MATERIALES COMPUESTOS: Fibras de vidrio y resina en el núcleo, y distintas "gomas" en la parteexterna, con formas adecuadas, han introducido en los años más recientes la tecnología del aisladorcompuesto.

Estas modernas soluciones con ciertas formas y usos ponen en evidencia sus ventajas sobre porcelanay vidrio.

FORMA DE LOS AISLADORES.

La forma de los aisladores está en parte bastante ligada al material, y se puede hacer la siguienteclasificación:

AISLADORES DE CAMPANA, (también llamados de disco) generalmente varios forman una cadena,se hacen de vidrio o porcelana con insertos metálicos que los articulan con un grado de libertad(horquilla) o dos (caperuza y badajo, cap and pin). Las normas fijan con detalle geometría, tamaños,resistencia electromecánica, ensayos.

AISLADORES DE BARRA, los hay de porcelana, permiten realizar cadenas de menor cantidad deelementos (más cortas), la porcelana trabaja a tracción y existen pocos fabricantes que ofrecen estasolución, especialmente si se requieren elevadas prestaciones, ya que no es una solución natural paraeste material, en cambio es la solución natural de los aisladores de suspensión compuestos.

Mientras que para la porcelana se limita la longitud de la barra y en consecuencia para tensioneselevadas se forma una cadena de algunos elementos, para el aislador compuesto siempre se realizaun único elemento capaz de soportar la tensión total.

AISLADORES RÍGIDOS, en tensiones bajas y medias tienen forma de campana, montados sobre unperno (pin type) y se realizan de porcelana o vidrio. A medida que la tensión crece, tamaño y esfuerzostambién, y se transforman en aisladores de columna aptos para soportar esfuerzos de compresión y deflexión (post type) y pueden asumir la función de cruceta en líneas de diseño compacto.

En estos casos pueden ser de porcelana y modernamente de materiales compuestos, cuando elesfuerzo vertical a que se somete la "viga" aislante es muy elevado se agrega un tensor del mismomaterial (inclinado 45 grados generalmente) dando origen a una forma de V horizontal.


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4. CÁLCULO DE COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO.

El procedimiento de coordinación de aislamiento de una línea debe efectuarse considerando los valoresde tensión que pueden aparecer derivado de los eventos transitorios en el sistema eléctrico al que estase conecta.

La coordinación de aislamiento es el balance entre los esfuerzos eléctricos sobre el aislamientooriginado por descargas, maniobras o tipo temporal (inducciones o contactos accidentales contra otraslíneas) y el propio nivel de tensión que soporta el aislamiento por su diseño.

Para los propósitos de coordinación de aislamiento la especificación CFE L0000-06, clasifica los nivelesde tensión tanto nominal como máxima de diseño, así mismo se define que las sobretensiones quemás afectan a las líneas de hasta 138 KV son las originadas por descargas atmosféricas, despreciandolas sobretensiones de maniobras.

Derivado de su trazo, las líneas de alta tensión pueden cruzar zonas con topografía accidentada oregiones con alta presencia de rayos, estas son las líneas que generalmente presentan más fallas pordescargas atmosféricas.

Para reducir el número de salidas por esta causa, se deben analizar y controlar los siguientesparámetros:

La longitud de la cadena de aisladores

El ángulo de blindaje, verificando el diseño de la estructura

El sistema de conexión a tierra, considerando bajante corrido conectado directamente de cablede guarda a varilla de tierra, en el caso de las torres por la parte interior de la celosía y en elposte tronco cónico en el interior del mismo.

Instalación de apartarrayos tipo línea

Instalación de pararrayos.

Para entender la coordinación de aislamiento, es necesario definir el concepto de tensión crítica de

flameo (TCF). Se determina con pruebas de aplicación de tensiones y corresponde a la tensión con lacual el aislamiento soporta un 50% de probabilidad de producir rompimiento de su dieléctrico. Del cualse obtiene las curvas de probabilidades de flameo, apartir de este concepto se define el nivel básico deaislamiento al impulso por rayo (NBAI), como el valor de tensión al que se espera un 10% deprobabilidad del flameo, la relación entre TCF y el NBAI esta dado por la siguiente fórmula:

NBAI = (1-1.3σ) TCF

donde:

NBAI = Nivel Basico de Aislamiento al Impulso

TCF= Tension Critica de Flameoσ = Desviación estándar.


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Y considerando una desviación estandar del 3 % da como resultado la expresión.

NBAI = 0.961 TCF

5. DETERMINACIÓN DEL AISLAMIENTO

La longitud de una cadena de aisladores se debe diseñar para soportar las tensiones a la que essometida, para ello es necesario observar dos conceptos: Distancia de fuga de los aisladores en funciónde los niveles y tipo de contaminación, la longitud de la cadena de aisladores que está dada por latensión de arqueo en aire entre conductores y la estructura.

LONGITUD DE LA CADENA DE AISLADORES

Esta longitud se calcula con base a la tensión de arqueo en aire entre el conductor y la estructura, elcual depende de la geometría de las puntas en donde se presente dicho arqueo de forma empírica seha obtenido la tensión de arqueo en aire de algunos cuerpos geométricos utilizados como electrodosde referencia. Con este criterio de la tensión crítica de flameo para impulsos por rayo, se tiene:

= Donde:

D= Distancia de fase a tierrra.

TCF= Es la tensión crítica de flameo con las condiciones del lugar donde se localiza la linea.

Kco = Es el factor de electrodo en aire Kr, corregido por la densidad del aire y humedad.

El facto Kr depende de la gometria de los electrodos o elementos que intervienen tomado de la tabla 8(Especificación CFE DCDLAD01).

La tensión máxima de diseño, asi como el NBAI para las líneas de alta tensión dependen de su tensiónde operación, los cuales se indican en la tabla 10 debido a las diferentes altitudes en las que operanlas lineas de alta tensión se hace necesaria la corrección del Kr proporcionado en la tabla 11 ya queeste es calculado a partir de los siguientes valores:

Temperatura (T0): 20 °C

Presión (b0)]: 1013 mbar (760 mm de Hg)

Humedad Absoluta (h0): 11g de agua por metro cúbico.


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La características eléctricas del aislamiento calculadas a condiciones normalizadas se ven afectadas

por la humedad y la presión atmosférica la cual disminuye con el aumento de altura sobre el nivel delmar, por lo tanto, deben cosiderarse los siguientes factores de corrección.

Debido a que las caracteristicas eléctricas de los soportes son calculados a condiciones normalizadasse debe hacer una corrección por condiciones atmosféricas, para esto se consideran los siguientesfactores.

Factor de corrección por densidad de aire (Kda)

= (273+ 2 7 3 + )

Donde:

T = Temperatura ambiente en grados celsius.b = Presión barométrica en mbar.T0 = Temperatura ambiente de condiciones estándar ( 20 °c)


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b0 = Presión barométrica en condiciones estándar (1013 mbar)Con el valor de la altitud, se puede obtener el valor del factor de corrección Kda de la tabla 10

El factor de correción por humedad (kh), es un factor que depende de la humedad absoluta del sitio(g/m3) que se obtiene de la figura 1. Conocidos la temperatura de bulbo húmedo del lugar y la humedadrelativa del aire mas críticas de las regiones por donde cruza la linea y teniendo el valor de humedadabsoluta, por medio de la figura 2 obtenemos el valor de Kh considerando los factores de correcciónpor humedad y por densidad de aire se puede obtener con la relación siguiente:

Kco = kr ( kda/kh)


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Figura 1.- Factor k de corrección por humedad en función de la humedad absoluta.

Figura 2.- Humedad absoluta del aire en función de las temperaturas del bulbo seco, bulbo húmedoy de la humedad relativa en porciento


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6. DISTANCIA DE FUGA DE LOS AISLADORES EN FUNCIÓN DE LOS NIVELES Y TIPO DECONTAMINACIÓN.

La distancia de fuga de un aislador se define como la distancia más corta, o la suma de distancias máscortas a lo largo del contorno de la superficie externa del material aislante.

La distancia especifica de fase a fase o de fase a tierra, se define como la relación entre la distanciade fuga total del aislamiento y la tensión máxima de fase a fase a tierra, respectivamente.

= Donde:

Dftc = Distancia de fuga total de la cadena de aisladores en mm.

Dfmn= Distancia de fuga mínima nominal en mm/kV tomada de las especificaciones CFEL0000-06.

Vm = Tensión máxima del sistema en kV.

K = Factor de corrección por diámetro de los aisladores y que puede ser:

K= 1.0 para aisladores de suspensión o tipo cadena y para aisladores tipo poste con diámetro menor

a 300 mm.

K= 1.10 para aisladores tipo poste con diámetro mayor a 300 mm y menor o igual que 500 mm.

K= 1.20 para aisladores tipo poste, pero con diámetro mayor que 500 mm.y

= Donde:NA = Número de aisladores de la cadena.

Dcat = Distancia de fuga del aislador seleccionador en mm/kV tomado de la especificación CFEL0000-

06.

CÁLCULO DE AISLADORES

Para la línea de 85 kV es un voltaje no normalizado por lo cual los aisladores se calcularán a 115 kV

Vm = Tensión máxima de sistema 123 kv (ver tabla 9 especificación CFE DCDLAD01)

K=1.0 para aisladores de suspensión o tipo cadena.


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Para el nivel de tensión que opera la subestación 115 kV a una altitud de 2250 msnm con una humedad

relativa de 38% y temperatura promedio de 10 °C, durante la noche.

De acuerdo a lo indicado en la tabla 4.- (ver anexo B) Niveles de aislamiento normalizado para equipode la categoría 1 que se presenta en la especificación CFE L0000-06 Coordinación de aislamiento paracondiciones normalizadas de una línea de alta tensión que opera a una tensión de 115 Kv, su nivelbásico de aislamiento al impulso por rayo (NBAI), es de 550 kV.

Nivel de contaminación media

Para una altura sobre el nivel del mar de 2250 y utilizando la tabla 11 factores de corrección por presiónatmosférica a distintas altitudes, se tiene para que el valor de corrección por densidad del aire es deKda= 0.760 (Valor obtenido de la interpolación)

Interpolación

Y2 = X2 – X1Y3 – Y1X3 – X1 + Y1 X1= 2200, X2= 2250, X3 = 2300, Y1=0.765, Y3 = 0.756

Y2=?

Y2 = 2250−22000.756 – 0.7652300 – 2200 +0.765

Y2 = 50−0.009100 +0.765


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Y2 = (−0.45100 )+0.765 Y2 = −0.0045+0.765

Y2 = 0.760 Para obtener el factor de humedad absoluta se hace uso de la gráfica de la figura 2 se obtiene 15 g/m3 y con este valor en la figura 1 nos da una Kh = 1.0

Una vez que se obtiene los factores de corrección por densidad del aire Kda y el de la humedad

absoluta Kh, se puede obtener el factor de corrección por condiciones atmosféricas Kca, utilizando lasiguiente expresión:

=

= 0.7601.0 =0.760

El siguiente paso es obtener la distancia mínima requerida de fase a tierra para la línea de 115 Kv, la

cual se obtiene con la siguiente expresión:

= % Donde:

V50%= Tensión critica de flameo con el 50% de probabilidad de flameo del aislamiento eléctrico paracondiciones atmosféricas normalizadas.

Kr = Factor geométrico de entrehierros.

Por lo anterior, para obtener V50%, se utiliza la expresión descrita a continuación referente al NBAI O

V10% debido a sobretensiones de origen atmosférico:

% = %1−1.3 Por lo que para obtener la tensión critica de flameo TCF, la ecuación queda de la siguiente forma:

% = %1−1.3 Considerando una desviación estándar σ = 3%, la ecuación queda de la siguiente manera:

NBAI= V10%=550 kv

% = 5501−1.30.03


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% = 5501−0.039

% = 5500.961 Por lo que % = 572.32 Para el cálculo de la distancia mínima requerida de fase a tierra para la línea se utiliza la expresión:

= % De la tabla 8.- Valores de los factores Kn, Km y Kr para diferentes configuraciones de entre-hierro.Considerando una configuración de entre-hierro fase-estructura para 115 kv, se toma que el factor Kres de 550 quedando la ecuación:

= 572.32550 = 1.040

Por lo que la distancia mínima requerida de fase a tierra para la línea de 115 kV en condiciones

estándar es de 1.04 m.

Ahora, retomamos los factores de corrección por condiciones atmosféricas calculados anteriormentedonde Kca= 0.760, se utiliza la ecuación con la que se determina la corrección de la distancia en airepor correcciones atmosféricas de presión y humedad descrita a continuación:

= % Sustituyendo los valores obtenidos se tiene lo siguiente:

=

572.32

0.760550

= 572.32418 =1.369 = 1.4 mLa distancia corregida por condiciones atmosféricas es dco=1.40 m, que sustituye a la distancia de 1.04m.

Finalmente, para determinar la cantidad de aisladores necesarios para cumplir con la distancia mínimaestablecida, utilizando aisladores 16SVH044 y tomando en cuenta las correcciones por efectosambientales, se obtiene con la siguiente expresión.

=


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Donde dais es la distancia longitudinal del aislador que de acuerdo a la norma de referencia NFR-018-CFE en la Tabla 2 “características electromecánicas y dimensionales”, este aislador tiene un

espaciamiento de 140 mm, se tiene entonces lo siguiente:

= 1.400.140 = 10 Por lo que se obtiene que NA = 10 aisladores, se necesitan 10 aisladores 16SVH044 para las cadenasque soportaran la línea de 85 kV.

7. ANEXOS

Anexo A Tabla 2.- Características electromecánicas y dimensionales


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Anexos B Tabla 4.- Niveles de aislamiento normalizado para equipo de la categoría 1.


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Anexos C Tabla 6.- Niveles de contaminación.

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