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PROYECTO DE CONSTRUCCION DE LA SUBESTACION ELECTRICA DE
230/69 kV.
INTRODUCCION
Dentro de los planes se encuentra la modernización de la infraestructura y se
proyecta la construcción de la nueva Subestación Eléctrica, con sus diferentes
capacidades para satisfacer el aumento en la constante demanda de energía industrial
en las zonas que se encuentran dentro de su área de influencia; razón por la cual, se
ubicara como una de las fuentes a la generación y transmisión de electricidad
comprometidas con el progreso que demanda la utilización de un fluido eléctrico.
OBJETIVOS
General
Realizar un diseño de una Subestación Eléctrica para alimentar la Fábrica de
Cemento Fancesa “Sucre”
Especifico
1. Localización de la Subestación
2. Datos del Diseño.
3. Arreglo Físico.
4. Niveles de Tensión.
5. Características Generales de la Subestación.
6. Diagrama Unifilar.
7. Protecciones Contra Sobretenciones.
1. LOCALIZACION DE LA SUBESTACION
La Subestación será localizada en el departamento de Chuquisaca, en la
ciudad de Sucre en la parte Nor-Oeste de la misma con una vista parcial definida, en
los linderos de la vía panorama, zona que será de fácil acceso.
En una ciudad con un crecimiento industrial moderno, como lo es la ciudad, el
acceso a la energía eléctrica es una condición necesaria para el desarrollo económico
para la fábrica de FANCESA.
Por el montaje y ampliación de nuevos implementos de trabajo especializados
en este rubro que abarcara sus servicios, vemos la necesidad de reforzar el sistema de
potencia para esta fábrica ya que el actual no cumple con la capacidad de suministro.
La subestación transmitirá y distribuirá energía eléctrica de 220 kv. a 69 kv.,
respectivamente.
2. DATOS DE DISEÑO
Con el diseño de esta subestación eléctrica, se da como resultado una
confiabilidad en su operación y se estima una vida útil de 30 años, mediante un
mantenimiento adecuado y la substitución de equipo en caso necesario.
Se detallara de la siguiente manera:
2.1 LADO DE ALTA Y BAJA TENSION
Tensión nominal
La tensión nominal será de 230KV en AT y 69Kv en BT, Que es la
tensión entre fases de designación de sistema, a la que están referidos ciertas
características de operación del mismo.
Tipo de conexión del transformador
Y/ (estrella – delta) respectivamente
Secuencia de rotación de fases
La secuencia de rotación será positiva por el método del índice
horario
Corriente nominal
Donde es el valor de la corriente que circula por el sistema eléctrico en
condiciones normales de operación y con carga nominal y un factor de
potencia preestablecido.
Corriente de corto circuito
Donde es el valor de corriente, presente en la instalación o sistema
eléctrico al suscitarse una falla entre fases de un sistema ya sea monofásico o
trifásico. De acuerdo a normas se debe considerar el siguiente valor de
potencia de cortocircuito
Vn=230KV P=15000MVA
2.2 TRANSFORMADORES
A continuación damos las características de los transformadores
Numero de unidades
Los transformadores que se estar tomando encuenta para este tipo de
diseño será de una sola unidad.
Capacidad por unidad
La potencia nominal del TR será de 4MVA.
Tensión de transformación
Transformara 230/69KV.
Conexiones en alta en baja tensión
La conexión sera de acuerdo al siguiente esquema.
2.3 LINEAS DE TRANSMISION
Numero de circuitos
A nuestra Subestación llegara un circuito trifásico
Calibre del conductor
Conductor de aluminio-acero tipo LA 56. 4/000
Capacidad de corriente por fase
2.4 ARREGLO DE LA SUBESTACION
La subestación cuenta con:
Una sola barra by pass
2.5 CAPACIDAD DE CORTO CIRCUITO
Lado de alta tensión
La capacidad de corto circuito estará de acuerdo a
Lado de baja tensión
La capacidad de corto circuito estará de acuerdo a
2.6 TIEMPO MAXIMO DE OPERACIÓN DE LA PROTECCION EN
CICLOS
2.7 RESISTIVIDAD DEL TERRENO
La topografía del lugar presenta un desnivel total de 6m. Razón por la cual se
construirán dos plataformas ambas con una pendiente de 2.5%. La preparación del
terreno iniciará con la limpieza del mismo, posteriormente se procederá al trazo,
nivelación y excavación de acuerdo con las dimensiones y niveles indicados por los
planos correspondientes. Posteriormente se procederá a la colocación de las bases de
cimentación precoladas que soportarán a las estructuras que conforman a la
subestación y su equipo, por último se llevará a cabo el relleno de las excavaciones
con material cementante.
Los volúmenes aproximados de material que serán removidos durante las
etapas de preparación del sitio y construcción son los siguientes:
Limpieza del terreno 32 000 m2
Movimiento de tierras 19 000 m3
Excavaciones de cepas 3 000 m3
Barda 1 300 m2
Relleno y compactado 1 000 m3
2.8 CONDICIONES GEOGRAFICAS
Temperaturas: media, máxima, mínima
Mínima: Tº -2 ºC aprox.
Media: Tº 16 ºC aprox.
Máxima: Tº 27 ºC aprox.
Viento: velocidad máxima en Km./hr
V → 50 Km./hr
Hielo: espesor en cm.
h → 0.1cm
Humedad relativa:
65% HR
Nivel ceraunico
5.5 e.r.
Altura sobre el nivel del mar
H → 3600 m.s.n.m.
Intensidad sísmica
Nivel de Polución
Moderadamente ligera16 mm/kV 1
→ Mínima Distancia de Fuga Nominal
3. ARREGLO FISICO
Los planos de diseño de control, formado por las características del diagrama
unifilar se debe utilizar un arreglo de máxima confiabilidad, además son los
documentos de carácter técnico, representativos del proceso constructivo de la
Subestación en cuestión, y tienen por objeto mediante la agrupación de las diferentes
disciplinas de la Ingeniería y la Arquitectura, precisar el alcance de las diversas
etapas y procesos de la edificación.
Para que mediante el empleo de medios gráficos y de redacción, integrados
por dibujos de planta, elevación, cortes, fachadas, isométricos, diagramas, códigos,
normas de calidad, especificaciones de construcción y demás elementos necesarios,
sea conformado el proyecto ejecutivo de la obra.
COMPONETES Y EQUIPO QUE CONFORMAN UNA SUBESTACIÓN
ELÉCTRICA.
El equipo eléctrico en una subestación típica puede incluir lo siguiente.
Interruptor automático
Seccionadores
Conmutadores de puesta a tierra
Transformadores de corriente
Transformadores de potencial o transformadores de voltaje capacitor.
Capacitores de acoplamiento
Filtros de línea
Apartarrayos y/o espinterometros
Transformadores de potencia.
Reactores de derivación
Reactores limitadores de corriente
Barras y aisladores de estación
Sistemas de puesta a tierra
4. CARACTERISTICAS GENERALES DE LA SUBESTACION
La nueva Subestación eléctrica de 230/69 Kv, es de tipo convencional, con una
capacidad instalada inicial de 4 MVA, la cual contará además con las siguientes
instalaciones:
Una línea trifásica de 230 Kv. y una Línea trifásica de 69 Kv. que alimentarán
a la subestación con su equipo.
Un transformador de potencia de 4 MVA´s.
Zona de 230 kV.
Zona de 69 kV.
Salón de tableros y obras exteriores.
5. DIAGRAMA UNIFILAR
6. PROTECCIONES CONTRA SOBRETENCIONES
La construcción de instalaciones eléctricas requiere adquirir equipamientos
eléctricos cuya función es de proteger a los equipos de la subestación eléctrica de las
siguientes sobretenciones
Causa de la Sobretensión Amplitud fase-
tierra (p.u)
Duración
Falla a tierra. 1.3 < V < 1.5 Neutro rígido a tierra <1s
Neutro resonante <10sRechazo de carga en sistemas no
muy extensos
< 1.2 Varios minutos
Rechazo de toda la carga en
sistemas muy extensos
« 1.5 Varios segundos
Rechazo de carga en el
transformador de un generador
1.4 < V < 1.5 t«3 s
PRINCIPIOS DE SELECCIÓN Y APLICACIÓN DEL
PARARRAYOS.
El criterio general para la selección de un pararrayos es analizar y contrastar las
características del descargador con los requerimientos del sistema en estudio. Las
características a ser analizadas se han dividido en dos grandes grupos que son:
. Las características eléctricas.
. Las características mecánicas y medioambientales.
Características eléctricas.
Las características eléctricas corresponden con las características descritas en
la sección anterior. La Figura 2.21 muestra la relación que debe existir entre los
parámetros del sistema frente a los parámetros del pararrayos. Se puede observar que el
voltaje de operación continua del pararrayos (Vc) debe ser mayor que la tensión máxima del
sistema (Vs), que el pararrayos debe ser capaz de soportar las sobretensiones temporales
que se puedan presentar y que los niveles de protección del pararrayos frente a
descargas atmosféricas y de maniobra (Vpl y Vps) sean inferiores a los niveles de
aislamiento respectivos (Vwl y Vws).
Características que debe cumplir el pararrayos frente a las características del sistema.
A continuación, y en base a todos los criterios expuestos anteriormente se
describe el procedimiento recomendado para la selección del pararrayos,
procedimiento que se ilustra mediante el diagrama de flujo.
1. Determinar el voltaje de operación continua del pararrayos en función de la
tensión más elevada del sistema.
2. Determinar la tensión asignada o nominal (Vr) en función de las
sobretensiones temporales del sistema.
3. Estimar la magnitud de las corrientes de descarga de rayo que se prevé
atravesarán al pararrayos así como los requerimientos de descarga de línea
para proceder a seleccionar la corriente nominal de descarga.
4. Determinar las características de capacidad de absorción de energía y clase
de descarga de línea.
5. Seleccionar la clase de limitador de presión en función de la corriente de
falla esperada.
6. Seleccionar un pararrayos que satisfaga con los requerimientos hasta aquí
analizados.
7. Determinar y seleccionar las características de protección del pararrayos
ante impulsos tipo rayo y tipo maniobra.
8. Ubicar al pararrayos tan cerca como sea posible del equipo a ser protegido.
9. Determinar la tensión soportada de coordinación a impulsos de maniobra, tomando en cuenta las sobretensiones de frente lento representativas.
10.Determinar la tensión soportada de coordinación a impulsos tipo rayo,
tomando en cuenta:
o La sobretensión por descarga atmosférica incidente representativa
determinada por el comportamiento de la línea conectada al
pararrayos frete a la descarga atmosférica y una tasa de falla
aceptable para el equipo protegido.
o La configuración de la subestación.
o La distancia entre el pararrayos y el equipo a proteger.
11.Determinar los niveles de aislamiento estandarizados.
12.En caso de que se desee que el nivel de aislamiento estandarizado del
equipo sea inferior que el obtenido, se recomienda considerar opciones
tales como: la elección de un voltaje de operación continua menor, una
tensión asignada menor, una corriente nominal de descarga mayor y una
clase de descarga de línea mayor que las originalmente obtenidas, sin
perder de vista que una tensión asignada inferior puede disminuir la
confiabilidad del pararrayos. Otra opción es reducir la distancia entre el
pararrayos y el equipo a proteger.
Características mecánicas.
Dentro de las características mecánicas del pararrayos se considera las características
del revestimiento, la resistencia mecánica y el comportamiento ante sismos.
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Revestimiento.
Es importante considerar el tipo y características del revestimiento del pararrayos, ya que
éste debe ser el adecuado para proteger a la columna de resistores de óxido metálico del ambiente
exterior y para proveer una distancia de fuga adecuada.
Con el fin de garantizar que el revestimiento cumpla con su función, de acuerdo a las
pruebas descritas en la Norma IEC 60099-4.
Pruebas y tensiones soportadas para el revestimiento de pararrayos [16].In = 10 kA y 20 kA In ≤ 5 kA y pararrayos para
elevadas corrientes de rayos.Vr>200 kV | Vr < 200 kV (1kV < Vs < 52 kV)
Prueba con impulsos tipo rayo.
1.3 * nivel de protección a impulso tipo rayo 1.
Prueba con impulsos tipo maniobra.
1.25 * nivel de protección a impulso tipo maniobra 2.
- -
Pruebas con tensión de frecuencia industrial (duración = 1 min)
- 1.06 * nivel de protección a impulso tipo maniobra.
0.88 * nivel de protección a impulso tipo rayo.
Nota.- se considera que los factores de 1.3 y 1.25 aplicado a los niveles de protección a impulsos tipo rayo y tipo maniobra respectivamente cubren variaciones en las condiciones medioambientales (altura de hasta 1000 m) y corrientes de descarga superiores al valor nominal.1 Para alturas superiores a los 1000 msnm, se recomienda adicionar un 10% por cada 1000 m [20].2 Para alturas superiores a los 1000 msnm, se recomienda adicionar un 13% por cada 1000 m [20].
DESCARGAS ATMOSFERICAS
Es un tipo de sobretenciones debidas a descargas atmosféricas que llegan a través de
la línea de transmisión a la subestación.
De las ondas debidas a rayos, solo llegarían a la subestación cuya magnitud es
inferior al nivel de aislamiento de la línea y que por lo tanto, a los aisladores de la
instalación.
PROTECCION CON PARARRAYOS
Los pararrayos deben seleccionarse de acuerdo a las condiciones específicas de
cada sistema coordinando con el aislamiento de las líneas de transmisión y de los
transformadores
Para nuestro sistema de 230 / 69 KV que esta a 3500 msnm tendremos la
siguiente datos
Densidad del aire
AISLAMIENTOS INTERNOS Y EXTERNOS
tensión
nominal del
equipo
Tensión máx. del
transformador
Aislamientos externosAislamientos
internosA 100 (msmn)
A 3500
(msnm)
230 245 1050 806 825
De esta manera estamos realizando una corrección por altura además estamos
dando una buena coordinación de aislamiento de la instalación
MANIOBRA DE INTERRUPTORES
Son sobretenciones que se producen al operar un interruptor de una línea de
potencia o un transformador de potencia
El nivel de aislamiento que va a soportar por maniobra del interruptor según
normas será de 0.83 del nivel básico de impulso del aislamiento protegido
La sobretención máxima generada por maniobra de interruptores será
A este valor nos damos un margen del 10% por encima para determinar la tensión
de operación del pararrayo
Con este valor tendremos un margen de protección de:
SECCIONADORES Y CUCHILLAS PUESTA A TIERRA
Para el presente diseño de la subestación se escogerán seccionadores rotatorios de
dos columnas, los cuales son aptos ya que se pueden emplear para tensiones entre 72.5 y
420 kV. Por otra parte, ya que esta es una subestación tipo exterior se requiere en algunos
casos colocar a tierra ciertos tramos de barraje, es por eso que se podrán encontrar
cuchillas de puesta a tierra rotatorias, acopladas a los seccionadores mencionados
anteriormente.
La cantidad de seccionadores y de cuchillas de puesta a tierra se pueden ver en el
diagrama unifilar de la configuración
Figura
Seccionador Rotatorio de dos columnas
Tal como lo muestra la Figura, las dos bases rotatorias están montadas en un
marco de acero perfilado mediante una viga de acople anclada. El poste aislador se fija a
las bases de rotación y a los cabezales giratorios del tope conductor con sus brazos y
contactos de alta tensión. Cuando actúa, ambos brazos giran 90°. En la posición de
apertura, los seccionadores de dos columnas, de apertura central, crean una distancia de
aislamiento horizontal. Los terminales de alto voltaje pueden girar hasta 360°
permitiendo la conexión en cualquier dirección
TIPO DE PARARRAYO A UTILIZARSE
Pararrayos con envolventes de porcelana y polímero,
desarrollados para la protección de equipos de maniobra, líneas
aéreas, transformadores y otros equipos contra sobretensiones
causadas por descargas atmosféricas u operaciones de
maniobra.
SELECCIÓN DE PARARRAYOS
Consideraciones:
Sistema sólidamente aterrizado.
Moderna tecnología de óxido metálico para todas las necesidades.
Utilización bajo cualquier condición climática.
Para niveles de tensión hasta 800 kV
Desarrollados y ensayados según IEC 60099-4
LOCALIZACION DEL PARARRAYO
La correcta protección de un equipo muy sensible, a las sobretensiones eléctricas,
dependen de la distancia entre ele punto en que se localizan los pararrayos y el equipo a
proteger.
Se debe considerar los siguientes factores que afectan la separación entre los
pararrayos y el equipo a proteger.
Los cuales son los siguientes:
Magnitud y pendiente del frente de la onda de tensión incidente.
Magnitud y forma de la onda de tensión que puede resistir el transformador.
Características de protección del pararrayos.
Impedancia característica de líneas.
BLINDAJE
Es una forma de proteger a la subestación de descargas atmosféricas directas
sobre los equipos de la subestación. Esta protección consiste en una malla de acero que se
coloca en lo mas alto de las estructuras de la subestación, también se complementa con
una serie de bayonetas que a su vez están conectadas a una red de tierra.
Por el Método de Bayonetas dimensionando para por un modulo de 230Kv, en la
zona de transformadores de 230/69Kv, para proteger las cargas directas.
Considerando:
Longitud de la Bayoneta: c = 3m
Altura de la Estructura : h2 = 22m
Altura del Equipo a Proteger: h1 =6m
Calculando:
Y = Altura de la Estructura + Longitud de la Bayoneta – Altura del Equipo
Y = (22 + 3 – 6) m
Y = 19 m
La distancia horizontal a la altura del equipo por proteger:
XT = Y * tan30º
XT = 19 * tan30º
XT = 8.66 = 8.7 m
Es la distancia que cubre el transformador, el pararrayos y parte de las barras de
230Kv.
Cable de Guarda: Son cables desnudos ubicados sobre el equipo a proteger y
conectados a tierra a través de los pórticos de la subestación, formando una red que actúa
como blindaje para proteger las partes vivas de la subestación de las descargas
atmosféricas directas, reduciendo la probabilidad de la caida de un rayo sobre los
conductores de fase. La red de cables de guarda actua como contraparte del sistema de
tierra.
Las características más importantes de los cables de guarda son:
Protegen a lo largo de todo el cable.
Su costo es bajo: son conductores livianos con tensiones de templas bajas, por lo
que no requieren estructuras muy fuertes.
Aprovechan los pórticos como estructuras de soporte y sólo requieren de un
castillete adicional.
Las estructuras para templas se pueden ubicar relativamente alejadas unas de otras
(60m o más).
La corriente del rayo se divide en dos direcciones con lo cual la corriente que
debe disipar cada estructura se reduce aproximadamente a la mitad.
DISTANCIAS DE DISEÑO
Este punto se refiere al dimensionamiento de las distancias entre partes vivas que
se requieren en instalaciones convencionales (ya sea interiores e intemperie). No se tiene
en cuenta las instalaciones encapsuladas o aisladas en gas. La determinación de estas
dimensiones se efectúa mediante el calculo de las distancias dieléctricas entre las partes
vivas del equipo y entre estas y las estructuras, muros, rejas y el suelo, de acuerdo con el
siguiente orden
1. Distancia entre fases.
Tensión critica de flameo
NBI=1050KV
TCF=NBI/0.961=1092.6 KV
K=550KV/m
d=TCD diseño/K= 1092.6/550 =1.98mt
Corrección por altura
d=TCD diseño/K= 1419/550 =2.58mt
2. Distancia entre fase y tierra.
3. Distancia de seguridad.
Se entiende como distancia mínima de seguridad aquellos espacios que se deben
conservar en las subestaciones para que el personal pueda circular y efectuar maniobras
sin que exista riesgo para sus vidas. Las distancias de seguridad a través de aire están
compuestas por dos términos: el primero es la distancia mínima de fase a tierra,
correspondiente al nivel de aislamiento al impulso de la zona. El segundo término se
suma al anterior y dependen de la talla media de los operadores.
Las distancias mínimas de seguridad se pueden expresar con las siguientes
relaciones:
D = d + 0.9
H = d + 2.25
D, es la distancia horizontal en metros que se debe respetar en todas las
zonas de circulación.
H, es la distancia vertical en metros que debe respetarse en todas las zonas
de circulación. Nunca debe ser menor de 3 metros.
d, es la distancia mínima de fase a tierra correspondiente al BIL de la
zona.
4. Altura de los equipos sobre el nivel del suelo
Esta altura se considera también como el primer nivel de barras (hs).
La altura mínima hs, de las partes vivas sobre el nivel del suelo en ningún caso
debe ser inferior a 3 metros, si no se encuentran aisladas por barreras de protección. La
altura mínima de la base de los aisladores que soportan partes vivas no debe ser menor de
2.25 metros.
Prescindiendo de las tablas, la altura mínima de las partes vivas de cualquier
equipo se calcula de acuerdo con la siguiente expresión:
hs = 2.30 + 0.0105*Um
Donde Um es la máxima tensión de diseño del equipo en cuestión.
hs = 2.30 + 0.0105*245kV = 4.87m
5. Altura de las barras colectoras sobre el nivel del suelo
La altura de las barras sobre el nivel del suelo debe considerar la posibilidad de
que al pasar una persona por debajo de las barras, esta reciba la sensación del campo
eléctrico. La expresión que proporciona la altura de las barras colectoras (he),
considerando la sensación de campo eléctrico es la siguiente:
he= 5.0 + 0.0125*Um-
he= 5.0 + 0.0125*245kV = 8.1m
6. Altura de remate de las líneas de trasmisión
Los conductores de las líneas de transmisión que llegan o salen de una
subestación no deben rematar a una altura hI inferior a 6m. Dicha altura se puede obtener
de la relación:
hI = 5.0 + 0.006*Um
hI = 5.0 + 0.006*245kV = 6.5m
7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
Los estudios geotécnicos nos indican la formación por estratos de materiales de los suelos
en estudio y la profundidad para desplantar las estructuras, obteniendo así, un proyecto
adecuado y una construcción confiable.