proyecto_subestacion

7/28/2019 PROYECTO_SUBESTACION

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Autores:

Andrs Fernndez Flrez

Jos Pacheco Martnez

28/02/2013

DISEO DE UNA SUBESTACINELCTRICA DE TRANSFORMACIN Y

DISTRIBUCION EN LA CIUDAD DEBARRANQUILLA.


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ContenidoINTRODUCCION........................................................................................................................ 5

MEMORIA.................................................................................................................................... 7

OBJETIVOS. ........................................................................................................................... 7

Objetivo general:................................................................................................................. 7

Objetivos especficos: ........................................................................................................ 7

DESCRIPCIN DE LA SUBESTACIN............................................................................. 8

Caractersticas.................................................................................................................... 8

Especificaciones de la subestacin:................................................................................ 9

Condiciones ambientales. ................................................................................................. 9

JUSTIFICACION. ................................................................................................................. 10

DISTANCIAS MINIMAS EN EL AIRE Y DISTANCIAS DE SEGURIDAD. .................. 13

Dimensionamiento de distancias mnimas en el aire.................................................. 13

Distancia de seguridad. ................................................................................................... 14

DISPOSICION FISICA DE LA SUBESTACION. ............................................................. 15

Tipo de configuracin elegida para la subestacin: .................................................... 15

Equipos seleccionados para la subestacin: ............................................................... 16

SISTEMA DE PROTECCION DE LA SUBESTACION. ................................................. 17

CALCULOS ............................................................................................................................... 24PLIEGO DE CONDICIONES .................................................................................................. 26

CONDICIONES TECNICAS DE LOS MATERIALES ..................................................... 26

CONDICIONES TECNICAS DE EJECUCION DE TRABAJO ...................................... 26

PLANOS..................................................................................................................................... 29

Bibliografa .................................................................................................................................. 34


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ndice de ilustraciones.

Ilustracin 1. Posicin geogrfica de la subestacin. .................................................................... 8

Ilustracin 2. Localizacin de la subestacin. ................................................................................ 8

Ilustracin 3. Dimensiones medidas de un operador. ................................................................. 14

Ilustracin 4. Configuracin interruptor y medio, vista superior. ............................................... 15Ilustracin 5. Vista frontal. .......................................................................................................... 15

Ilustracin 6. Seccionador de apertura central. .......................................................................... 16

Ilustracin 7. Conexin clsica, barra flexible, conexin flexible. ............................................... 16

Ilustracin 8. Diagrama unifilar subestacin interruptor y medio. ............................................. 29

Ilustracin 9. Disposicin fsica de la subestacin interruptor y medio, vista superior. .............. 30

Ilustracin 10. Vista frontal y esquema de apantallamiento por mtodo electrogeomtrico. ... 31

Ilustracin 11. Diagrama unifilar del sistema de proteccin y control de la subestacin. .......... 32

Ilustracin 12. Diagrama unifilar del sistema de servicio auxiliar de la subestacin. ................. 33

ndice de graficas.

Grafica 1. Tasa de falla de una subestacin de distribucin en funcin de la tasa de falla de los

interruptores. .............................................................................................................................................. 10

Grafica 2. Tasa de falla de una subestacin de distribucin teniendo en cuenta el tiempo de

mantenimiento de los interruptores. .......................................................................................................... 11

Grafica 3. No disponibilidad de una subestacin de transmisin en funcin del tiempo de mantenimeinto

de los interruptores. ................................................................................................................................... 11

ndice de Tablas.

Tabla 1. Efecto de mantenimiento en interruptor por tipo de configuracin de subestacin. ................... 12

Tabla 2. Efecto de mantenimiento en barra por tipo de configuracin de subestacin. ............................ 12

Tabla 3. Correlacin entre tensiones de soportabilidad al impulso atmosfrico y distancias mnimas de

seguridad. ................................................................................................................................................... 13

Tabla 4. Distancias de seguridad entre equipos de una subestacin. ........................................................ 14


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1. INTRODUCCION


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INTRODUCCION.Una subestacin elctrica es la exteriorizacin fsica de un nodo de un sistemaelctrico de potencia, en el cual la energa se transforma a niveles adecuadosde tensin para su transporte, distribucin o consumo, con determinadosrequisitos de calidad. Est conformada por un conjunto de equipos utilizados

para controlar el flujo de energa y garantizar la seguridad del sistema pormedio de dispositivos automticos de proteccin. [1]

Bsicamente las funciones que cumple una subestacin son las siguientes:

FLEXIBILIDAD: Acomodarse a las diferentes condiciones que se puedanpresentar especialmente por cambios operativos en el sistema, y adems porcontingencias y/o mantenimiento del mismo.

CONFIABILIDAD: Se define como la probabilidad de que una subestacinpueda suministrar energa durante un periodo de tiempo dado, bajo la

condicin de que al menos un componente de la subestacin este fuera deservicio.

SEGURIDAD: Es la propiedad de una instalacin de dar continuidad delservicio sin interrupcin alguna durante fallas de los equipos de potencia,especialmente interruptores y barrajes.


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2. MEMORIA


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MEMORIA.

OBJETIVOS.

Objetivo general:Disear una subestacin elctrica de transformacin y distribucin en la ciudadde Barranquilla.

Objetivos especficos: Definir la configuracin de la subestacin elctrica.

Determinar las reas necesarias para la subestacin y alturascumpliendo con las distancias mnimas de seguridad, circulacin de

personal y vehculos.

Realizar en diagrama de planta de las edificaciones y distribucin de losequipos.

Seleccionar los equipos necesarios con caractersticas garantizadas.

Definir las cargas esenciales y no esenciales del sistema.

Realizar estudios de coordinacin del aislamiento.

Realizar un estimativo de las cargas auxiliares.

Definir el sistema de servicios auxiliares, alimentacin y grupoelectrgeno.

Disear el sistema de puesta a tierra basado en lo establecido en lanorma IEEE 80 y/o las especificaciones del texto gua.

Desarrollar el diagrama unifilar de potencia, de control y de serviciosauxiliares.

Organizar un pliego de condiciones para los cumplimientos de lasubestacin.


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DESCRIPCIN DE LA SUBESTACIN.

Car ac terst ic as .

La subestacin est proyectada para ser instalada en una parcela situada enlas siguientes coordenadas:

Latitud:1056'33.58"N

Longitud:7450'21.19"O

Ilustracin 1. Posicin geogrfica de la subestacin.

Ilustracin 2. Localizacin de la subestacin.

Consistir en una subestacin 220 kV, en configuracin de interruptor y medio.


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Especificaciones de la subestacin: Transformacin 220 kV/115kV.

Dos lneas de entrada de alimentacin 220kV provenientes de lasubestacin de SABANALARGA.

Dos transformadores tridevanados de 50 MVA con relacin detransformacin: 220kV/115kV/13,8kV.

Un transformador de 5kVA con relacin de transformacin de13.8kV/220V para alimentar las edificaciones e iluminacin de lasubestacin elctrica.

La capacidad del transformador: 50 MVA, 3 MVA para alimentarsectores de distribucin y las cargas de la misma.

rea disponible para construccin 100m x 60m.

Factor de despeje de falla: 0,6 segundos.

Resistencia de puesta a tierra de las lneas de transmisin: 15 ohm.

Resistencia de puesta a tierra de las lneas de distribucin: 25 ohm.

Mediciones del terreno realizadas a este espacio:

Armarios de control y protecciones.

Armario de comunicaciones.

Armarios de medida de energa.

Armarios de servicios auxiliares.

Edificio de control.

Cond icion es ambientales.

Temperatura: 86F/30C

Altitud (msnm): 35m

Humedad relativa: 80%

Coeficiente ssmico: 0.010


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JUSTIFICACION.Por qu se escogi la configuracin interruptor y medio?

La configuracin interruptor y medio fue la seleccionada para el diseo de lasubestacin por sus innumerables ventajas, debido a que nos proporciona el

mejor grado de confiabilidad y seguridad deseado para nuestro sistema, dentrode las cuales destacamos:

No necesita tramo de enlace de barra, el mantenimiento de un interruptor sepuede realizar sin sacar de servicio el tramo correspondiente, es decir, si sepresentan fallas en una de las dos cargas que estn conectadas en uno de lostramos de la subestacin, se puede realizar su mantenimiento sin comprometera las dems cargas que estn conectadas al sistema. Adems que cumple conlas dos funciones que se necesitan para el diseo de esta subestacin, que sonel transporte y la distribucin, por lo que la configuracin de subestacininterruptor y medio esta dentro del grupo de las tipo 1 (transporte) y tipo 2

(reparto y/o maniobra) de la clasificacin de las funciones de una subestacinelctrica.

La configuracin interruptor y medio posee bajos niveles de:

Tasa de falla en funcin de la tasa de falla de los interruptores.

Tasa de fallas teniendo en cuenta el tiempo de mantenimiento de losinterruptores.

No disponibilidad de subestacin de transmisin en funcin del tiempo

de mantenimiento de los interruptores.Que podemos observar en las siguientes graficas:

Grafica 1. Tasa de falla de una subestacin de distribucin en funcin de la tasa de falla de los interruptores.


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Grafica 2. Tasa de falla de una subestacin de distribucin teniendo en cuenta el tiempo de mantenimiento de los

interruptores.

Grafica 3. No disponibilidad de una subestacin de transmisin en funcin del tiempo de mantenimiento de los

interruptores.

La configuracin interruptor y medio tiene tres grandes propiedades:

Propiedad de que la subestacin que asegura el suministro de energadurante un periodo de tiempo dado, bajo la condicin de que al menosun componente de la subestacin este fuera de servicio durante laoperacin (Confiabilidad).

Propiedad de una subestacin dar continuidad del servicio sininterrupcin alguna durante fallas en los equipos de potencia,especialmente en los interruptores y barras (Seguridad).


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Propiedad de ser diseada como subestacin encapsulada en SF6 ysubestacin con aislamiento en aire para alta tensin y extra altatensin.

La configuracin interruptor y medio nos proporciona ventajas durantemantenimiento de la misma, como lo son los efectos de mantenimiento en elinterruptor y en las barras:

Tabla 1. Efecto de mantenimiento en interruptor por tipo de configuracin de subestacin.

Tabla 2. Efecto de mantenimiento en barra por tipo de configuracin de subestacin.


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DISTANCIAS MINIMAS EN EL AIRE Y DISTANCIAS DE SEGURIDAD.El analisis sobre el dimensionamiento de las distancias mnimas en el aire quese deben mantener en subestaciones exteriores para garantizar el adecuadonivel de aislamiento, teniendo en cuenta las condiciones atmosfricasprevalecientes del sitio los requerimientos de seguridad para la operacin y

mantenimiento de la instalacin resultaran en distancias sustancialmentemayores.

Dimensionamiento de distancias mnimas en el aire.En las subestaciones, donde no es posible probarlas como un todo ante lasoportabilidad a los impulsos de tensin tipo rayo, maniobra o a sobretensionesa frecuencia industrial, es necesario asegurar la soportabilidad dielctrica enforma adecuada mediante las distancias elctricas entre los diferenteselementos que constituyen la subestacin.

Tabla 3. Correlacin entre tensiones de soportabilidad al impulso atmosfrico y distancias mnimas de seguridad.


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Distancia de seguridad.Medidas que determinan la zona de seguridad en una subestacin elctrica:

Ilustracin 3. Dimensiones medidas de un operador.

Medidas que se deben tener en cuenta al momento del diseo de unasubestacin elctrica tipo intemperie (distancias mnimas entre equipos):

Tabla 4. Distancias de seguridad entre equipos de una subestacin.


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DISPOSICION FISICA DE LA SUBESTACION.La disposicin fsica hace referencia al ordenamiento de los diferentes equiposconstituidos de un patio de conexiones de una subestacin exterior para cadauno de los tipos de configuracin.

Tipo de configuracin elegida para la subestacin:

Ilustracin 4. Configuracin interruptor y medio, vista superior.

Ilustracin 5. Vista frontal.


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Equipos seleccionados para la subestacin:

Seccionador.

Ilustracin 6. Seccionador de apertura central.

Tipo de conexin.

Ilustracin 7. Conexin clsica, barra flexible, conexin flexible.


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SISTEMA DE PROTECCION DE LA SUBESTACION.

Consiste en reducir la influencia de una falla en el sistema, hasta tal punto queno afecte su funcionamiento o se produzcan daos relativamente importantesen l y no poner en peligro seres humanos o animales.

Requerimientos de proteccin.

Seguridad.La probabilidad de no tener un disparo indeseado.

Selectividad.Coordinacin de los dispositivos de corte automatico para que un defecto,ocurrido en un punto cualquiera de la red, sea eliminado por el interruptorautomatico colocado inmediatamente aguas arriba del defecto y solo por l.

Estabilidad.Se aplica para indicar que la proteccin no debe disparar cuando ocurre unafalla externa, o sea fuera de su zona de proteccin.

Fiabilidad.La probabilidad de no tener una omisin de disparo.La peor de las operaciones incorrectas es normalmente la falla u omisin dedisparo durante un cortocircuito, lo cual puede ser debido a una falla en el

sistema de proteccin o del interruptor y usualmente lleva a problemas deestabilidad y apagones.

Confiabilidad.La probabilidad de que sea segura y fiable, la probabilidad de no teneroperacin incorrecta.

Las operaciones incorrectas se pueden dividir en espontaneas (fallas dehardware) que es producida normalmente en daos en una componente.

Principales (fallas de software) producida por una falla de planeamiento, diseo(seleccin) o aplicacin (ajustes) y usualmente no se pueden descubrirfcilmente con pruebas convencionales de mantenimiento, sino con pruebasbasadas en simulaciones digitales.

Respaldo.La interrupcin selectiva de una falla en un sistema elctrico origina laintervencin de los siguientes aparatos:

Equipo para la medida de la magnitud (TCs y TPs, etc.)


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Elementos que establecen y procesan las magnitudes medidas dandorespuesta segn valores predeterminados (rels, dispositivos de disparo, etc.)

Equipos de interrupcin (interruptores incluyendo su mecanismo de control).

Los auxiliares correspondientes (bateras y sistemas de cc, compresores deaires, etc.)

Equipos de telecomunicaciones y de teleproteccin.

Proteccin en Transformadores.Tipos de fallas:

Fallas internas: fallas en los devanados (51%), fallas en el cambiador de tomas(19%), fallas en los bujes (9%), fallas en las cajas de conexin (6%), fallas en elncleo (2%), fallas miscelneas (13%).

Fallas externas: sobretensiones, sobrecargas, cortocircuitos en la red,subfrecuencia, entre otras.

Fallas ms importantes que debe cubrir el sistema de proteccin deltransformador:

Cortocircuitos internos a tierra entre fases.

Cortocircuitos externos a tierra o entre fases. Fallas entres espiras.

Limitar las corrientes de fallas pasantes, es decir, fallas en un novel detensin alimentadas desde la generacin del otro nivel de tensin.

Limitar la temperatura del aceito al mximo permitido.

Limitar el punto ms caliente de los devanados al mximo permitido.

Prevenir ruptura del tanque del transformador durante fallas internas.

Considerar las fallas del equipo de maniobra.

Limitar la sobreexcitacin del ncleo del transformador.

La proteccin principal comnmente utilizada para proteger transformadores depotencia es la diferencial del tipo porcentual (87T). Esta proteccin secomplementa con rels de sobrecorriente tanto de fase como Residuales(51/51N). Adicionalmente se tienen las protecciones propias del transformador,como la trmica (49) para sobrecargas, la Buchholz (63B) que atrapa el gasque resulta de la anomala, la de presin (63P) para fallas internas, y la queverifica el nivel de aceite (71), entre otras.


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Ilustracin 8. Sistema de proteccin para transformadores.

Proteccin diferencial (87): Es un rel que opera cuando el vector dediferencia entre dos o ms cantidades elctricas similares, excede un valorpredeterminado, compara las corrientes de entrada y de salida del elementoprotegido, opera abriendo los interruptores en ambos extremos del elemento

protegido, sirve para proteger contra fallas internas en el transformador.

Rel de sobrecorriente (51/51N): Pueden ser temporizados o instantneos,difciles de coordinar, poco selectivos, se utilizan como proteccin de respaldoen transformadores de potencia, necesidad de cambios de ajuste al cambiar laconfiguracin del sistema y/o la corriente de carga, mejora de la actuacin atravs de direccionalidad y (o comunicacin en extremos casos) lmite: relsdiferenciales, comparacin de fases, etc.

Rel de temperatura (Trmico) (49): Estos dispositivos son termmetros

acondicionados con micros interruptores para mandar seales de alarma dedisparo para la desconexin de carga o para arrancar ventiladores.

Rel de presin (63P): Se aplica para proteccin de transformadores depotencia para detectar y desfogar sobre presiones internas que puedan resultarpeligrosas y cuyo origen sean fallas internas.

Rel de Buchholz (63B): Rel de aceite que se aplica solamente atransformadores con tanque conservador de aceite conectado con el tanqueprincipal. Con este rel la proteccin se dispone solamente para fallas dentro

del tanque del transformador.


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Proteccin en Reactores.

Los sistemas de proteccin de reactores tiene similitud con el de lostransformadores o autotransformadores, teniendo en cuenta las siguientesconsideraciones: el rel diferencial puede ser del tipo alta impedancia y los

rels de sobrecorriente, para acomodarse a la corrientes de magnetizacininicial (inrush), conviene que sean de tiempo definido para los tipos de ncleo(core) y del tipo tiempo inverso para el tipo acorazado (Shell). El rel desobrecorriente debe ajustarse a 1,5 veces la corriente asignada.

Ilustracin 9. Sistema de proteccin en reactores.

Proteccin en banco de condensadores.

La mayor debilidad de los condensadores se produce frente a lassobretensiones; en el caso de la compensacin serie, esta aparece con elevento de un cortocircuito en la lnea, es importante resaltar que la proteccinde los bancos usados en compensacin serie se realiza dando de cierre delinterruptor de by-pass o pas directo.

Proteccin de Barras.

Cuando ocurre una falla en barras, una gran cantidad de interruptores debe serdisparada para poder aislar del sistema la barra fallada, lo cual crea unasituacin muy peligrosa para la red. Por esta razn, es importante tener unaconfiguracin de subestacin tal que solo se pierda una parte durante la fallaen barras.


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Ilustracin 10. Sistema de proteccin en barras, interruptor y medio.

Protecciones de Lneas.

Proteccin de distancia (21):

Normalmente la proteccin de distancia mide la carga de la lnea, la cual puedeser como UL/IL=ZL, es decir, la relacin entre la tensin y la corriente vistas porel rel en su sitio de instalacin, esta proteccin de distancia es una proteccinrelativamente selectiva, lo cual significa que la selectividad se alcanza sin una

comparacin del extremo remoto y as, no requiere ningn sistema detelecomunicacin para su funcin bsica.

Proteccin por comparacin de fases (78): Esta proteccin esabsolutamente selectiva. El principio est basado en la medida de la diferenciadel ngulo de fase de la corriente entre los terminales de la lnea protegida. Siel ngulo es pequeo se trata de un falla externa de corriente de carga y si elanulo es grande existe una falla interna, el sistema de proteccin se apoyacompletamente en las telecomunicaciones y no existe proteccin si fallan lascomunicaciones.


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Proteccin diferencial longitudinal (87L): Este sistema es absolutamenteselectivo, el principio bsico consiste en la medida de la magnitud y del ngulode las corrientes que entran en el rea de proteccin. Durante condicionesnormales (sin falla) la suma es cero, este sistema de proteccin requieretelecomunicacin entre los terminales de lnea para poder efectuar su funcin.

Proteccin por comparacin adicional: Tambin esta proteccin del tipoabsolutamente selectiva y requiere para efectuar su funcin bsica un sistemade telecomunicaciones entre los terminales de la lnea.

Esta proteccin compara la direccin de la corriente de falla en ambosextremos de la lnea. Si la medida de la direccin indica que todas lascorrientes circulan hacia la zona protegida significa que se trata de una fallainterna. Si una de las medidas indica una corriente circulando hacia fuera de lazona protegida significa la existencia de una falla externa.


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3. CALCULOS


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CALCULOS


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4. PLIEGO DE CONDICIONES


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PLIEGO DE CONDICIONES

CONDICIONES TECNICAS DE LOS MATERIALESLos materiales y equipos del presente documento, debern cumplir lascondiciones sobre ellos disponga la presenta especificacin tcnica. As mismo

sus calidades sern acordes con las distintas normas que sobre ellos estnpublicadas y que tendrn un carcter de complementariedad a este apartadodel presente documento de especificaciones tcnicas. Sirvan como referencialas siguientes:

Reglamento Tcnico de Instalaciones Elctricas (RETIE).

Cdigo Elctrico Colombiano NTC 2050.

Tendrn preferencia en cuanto a su aceptabilidad aquellos materiales queestn en posesin de Documento de Idoneidad Tcnica, que avalen sus

cualidades, emitido por Organismos Tcnicos reconocidos.Por parte del Suministrador debe existir obligacin de comunicar a lossuministradores las cualidades que se exigen para los distintos materiales,aconsejndose que previamente al empleo de los mismos, sea solicitadoinforme sobre ello a la Direccin Facultativa y al Organismo encargado delControl de Calidad.

El Suministrador ser responsable del empleo de materiales que cumplan conlas condiciones exigidas. Siendo estas condiciones independientes, conrespecto al nivel de control de calidad para aceptacin de los mismos que seestablece en el apartado de Especificaciones de Control de Calidad. Aquellosmateriales que no cumplan con las condiciones exigidas, debern sersustituidos, sea cual fuese la fase en que se encontrase la ejecucin de la obra,corriendo el Suministrador con todos los gastos que ello ocasionase.

CONDICIONES TECNICAS DE EJECUCION DE TRABAJOCon carcter general y para todo el alcance del suministro se actuara paraconseguir lo siguiente:

Montaje segn los ltimos progresos tcnicos.

Materiales de calidad apropiada.

Facilidades para las tareas de desmontaje, limpieza, ajuste y puesta apunto de los equipos.

Intercambiabilidad de los equipos instalados con los repuestoscorrespondientes.

El proceso constructivo de las distintas unidades que conforman el proyecto seajustara a las especificaciones de la Normativa vigente.


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Por parte del Suministrador deber ponerse especial cuidado en la vigilancia ycontrol de la correcta ejecucin de las distintas unidades del Proyecto, con elfin de que la calidad se atenga a las especificaciones que sobre ellas seprevenga en las distintas Normas que sirven de apoyo y gua del procesoConstructivo. La aceptacin o no de las partes ejecutadas ser independiente

de que estas hayan sido o no certificadas, puesto que en todo caso lascertificaciones deben ser consideradas


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5. PLANOS


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PLANOS

Ilustracin 11. Diagrama unifilar subestacin interruptor y medio.


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Ilustracin 12. Disposicin fsica de la subestacin interruptor y medio, vista superior.


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Ilustracin 13. Vista frontal y esquema de apantallamiento por mtodo electrogeomtrico.


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Ilustracin 14. Diagrama unifilar del sistema de proteccin y control de la subestacin.


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Ilustracin 15. Diagrama unifilar del sistema de servicio auxiliar de la subestacin.


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Bibliografa

[1] M. V. S. Subestaciones de Alta y Extra Alta Tensin, Segunda Edicin ed., H. i. Ed., 2003.

[2] E. P. Mayoral, Subestacion de 230 KV para la red de transporte en Costa rica., Madrid: Espaa, 2009.

[3] V. M. F. Blanco, proyecto de una subestacion electrica de transporte 400/220 KV, Madrid, 2012.

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