CRITERIOS DE DISEÑO DE SUBESTACIONES DEL SISTEMA PERUANO
CONTENIDO 1.- INTRODUCCIÓN 2.- TIPOS DE SUBESTACIONES 3.- CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA DE BARRAS
4.- COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO 5.- DISTANCIAS MÍNIMAS Y DE SEGURIDAD 6.- DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS DE PATIO 7.- CRITERIOS DE DISEÑO DEL PR-20
1. INTRODUCCIÓN
OBJETIVO: Conocer los criterios mínimos de diseño de subestaciones eléctricas para su conexión al SEIN.
1. INTRODUCCIÓN
COMPONENTES DE UN SISTEMA DE POTENCIA TRANSMISIÓN
GENERACIÓN
20 kV
DISTRIBUCIÓN
220 kV
220 kV
UTILIZACIÓN
10 kV ECRA
60 kV
0,22 kV 0,38 kV
220 kV 60 kV
V1L1 P1(+) Q1(+)
P 1 P2 Q1 Q2
V1 V2 1 2 S=
(P2
V2L2 P2(-) Q P
+ Q2)
Q2(-)
2. TIPOS DE SUBESTACIONES TRANSMISIÓN
GENERACIÓN
20 kV
220 kV
DISTRIBUCIÓN
220 kV
UTILIZACIÓN
10 kV ECRA
60 kV
0,22 kV 0,38 kV
220 kV 60 kV
Según su función: 1) Subestación de Generación 2) Subestación de Maniobra 3) Subestación de Transformación Según su Tecnología: 1) Convencional o aisladas en aire (AIS) 2) Encapsuladas o aisladas en SF6 (GIS) Celdas tipo interior 3) Híbridas
2. TIPOS DE SUBESTACIONES Convencional aisladas en aire (AIS):
Encapsuladas (GIS):
Metal Clad:
Híbridas:
Convencional al interior:
3.- CONFIGURACIÓN DE CONEXIÓN DE BARRAS Tipos : BARRA SIMPLE, DOBLE ANILLO, INTERRUPTOR Y MEDIO
BARRA,
Definiciones : Flexibilidad, se adecúa ante cambios operativos del sistema, mantenimiento ó contingencia.
Confiabilidad, ante la ocurrencia de una falla, en interruptores y barrajes, recupera el suministro eléctrico luego de una maniobra. Seguridad, ante la ocurrencia de una falla, en interruptores y barrajes, no interrumpe el suministro eléctrico.
3.- CONFIGURACIÓN DE CONEXIÓN DE BARRAS Simple Barra
Opcional Barra
Esquema simplificado
S
I
TC
SL
TO
S
: Seccionador de Barra
I
: Interruptor
TC : Transf. De Corriente
PR
SL : Seccionador de línea con cuchilla PAT
TT
TO : Trampa de Onda PR : Pararrayo TT : Transf. De Tensión
Esquema detallado de celda -
Flexibilidad Confiabilidad Seguridad
: : :
Simple Barra No tiene No tiene No tiene
SB c/. Int Baja Baja No tiene
3.- CONFIGURACIÓN DE CONEXIÓN DE BARRAS Simple Barra
3.- CONFIGURACIÓN DE CONEXIÓN DE BARRAS Simple Barra
3.- CONFIGURACIÓN DE CONEXIÓN DE BARRAS Doble Barra
A
A
B
B
DB c/. Sec. Transf.
Esquema simplificado Acopl.
Acopl.
Esquema detallado de celda -
Flexibilidad Confiabilidad Seguridad
: : :
Doble Barra DB c/. Secc. Transf. Alta Alta Media (solo en Barras) Alta No tiene Baja
3.- CONFIGURACIÓN DE CONEXIÓN DE BARRAS Doble Barra con Seccionador de Transferencia
3.- CONFIGURACIÓN DE CONEXIÓN DE BARRAS Doble Barra con Seccionador de Transferencia
3.- CONFIGURACIÓN DE CONEXIÓN DE BARRAS Doble Barra con Seccionador de Transferencia
Doble Barra
3.- CONFIGURACIÓN DE CONEXIÓN DE BARRAS Anillo TT
TT
TT I + TC
Esquema simplificado
Esquema detallado de celda TT : Transformador de tensión para el sincronismo (en 01 fase) I+TC : Interruptor con TC en los bushing
-
Flexibilidad Confiabilidad Seguridad
: : :
Anillo Alta Alta (con anillo cerrado), Baja (con anillo abierto) Alta (con anillo cerrado), No tiene (con anillo abierto)
3.- CONFIGURACIÓN DE CONEXIÓN DE BARRAS Anillo
3.- CONFIGURACIÓN DE CONEXIÓN DE BARRAS Anillo
3.- CONFIGURACIÓN DE CONEXIÓN DE BARRAS Interruptor y Medio
Barra A
Barra B
Esquema simplificado
-
Flexibilidad Confiabilidad Seguridad
: : :
Interruptor y medio Alta Alta Alta
Esquema detallado de celda
3.- CONFIGURACIÓN DE CONEXIÓN DE BARRAS Interruptor y medio
3.- CONFIGURACIÓN DE CONEXIÓN DE BARRAS Interruptor y medio
4.- COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO Definición: Estudio para determinar el nivel de aislamiento de una instalación. Objetivo: Minimizar las fallas del aislamiento originado por sobrevoltajes transitorios provenientes de descargas atmosféricas, maniobras de equipos o fallas en el sistema.
Norma: IEC-60071-1 : Términos, reglas y definiciones IEC-60071-2 : Guía de aplicación
4.- COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO
4.- COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO Según la Guía de IEC-60071-2 se determinarán: a) Tensiones Representativas Urp - Sobretensiones temporales (rms) - Sobretensiones de frente lento (pico) - Nivel de protección de los pararrayos b) Tensiones de Coordinación Ucw - Sobretensiones temporales (rms), Kc - Sobretensiones de frente lento (pico), Kcd - Sobretensiones de frente rápido (Aisl. Int. y Ext) c) Tensiones de Soportabilidad Requeridas Urw - Aisl. Int. y Ext. aplicando factor de seguridad (Ks) y Corrección por altura (Ka)
4.- COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO Según la Guía de IEC-60071-2 se determinará: d) Selección de aislamiento normalizado - Conversión a tensiones de soportabilidad normalizada Rangos I (sobretensiones frec. Indust. y frente rápido) y II (sobretensiones de maniobra) - Tensiones de soportabilidad normalizadas
4.- COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO Tensiones de soportabilidad normalizados
5.- DISTANCIAS MÍNIMAS Y DE SEGURIDAD Distancias mínimas, (tablas A.1, A.2 y A.3)
según
IEC-60071-2
5.- DISTANCIAS MÍNIMAS Y DE SEGURIDAD Distancias de seguridad, a partir de las distancias mínimas en IEC y según CNE Suministro 2011.
5.- DISTANCIAS MÍNIMAS Y DE SEGURIDAD
6. DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS DE PATIO 6.1 Transformadores de potencia 6.2 Interruptores 6.3 Seccionadores 6.4 Transformadores de corriente 6.5 Transformadores de tensión
6.6 Descargadores de sobretensión 6.7 Sistemas complementarios
6.1 Transformador de Potencia BUJE
NUCLEO
TANQUE CONSERVADOR
PROTECCIÓN MECÁNICA
RADIADOR CONMUTADOR BAJO CARGA
DEVANADO ACEITE AISLAMIENTO SOLIDO
6.1 Transformador de Potencia Tipos de núcleo : -
Acorazado (Shell) : los devanados de baja y alta tensión se colocan en la columna central. Utilizados generalmente en diseños monofásicos.
-
No acorazado (Core) : es aquel en donde los devanados de baja y alta tensión rodean cada columna. Utilizados generalmente en diseños trifásicos.
-
Wescor ó de núcleo enrrollado: se construye a partir de cortar laminaciones continuas, formando una espiral sobre un molde cuya sección transversal se conoce también como núcleo enrollado,
6.1 Transformador de Potencia NÚCLEO
DEVANADO
6.1 Transformador de Potencia Envejecimiento del papel : Oxígeno + Temperatura + Humedad
Muestras de papel o testigos
Contenido de Furanos (2FAL) y Grado de Polimerización (DP O GP)
6.1 Transformador de Potencia CONMUTADOR DE TOMAS BAJO CARGA Secuencia de cambio de tap 7 al 6 1 2 3 4 5 CONMUTADOR Ó RUPTOR
SELECTOR
MANDO MOTOR
CONMUTADOR
SELECTOR
6
7
8
9
6.1 Transformador de Potencia BUJES
Aislamiento Externo Porcelana
Tanque de Expansión
Aceite Aislante
Conductor Central
Núcleo Divisor Capacitivo Tap de Prueba / Factor de Potencia
Porcelana Inferior
Chaqueta Aterrizada Ground Sleeve
Flange de Montaje Canal Inferior de Aceite
6.1 Transformador de Potencia Montaje de Buje 60 kV
Taps de Prueba de Buje
6.1 Transformador de Potencia ACEITE
Deterioro (oxidación)
:
Oxígeno + Temperatura
Contaminación
:
Humedad.
Ensayos principales : - Fisico – Químicos (debe ser libre de PCB’s – componente cancerígeno, < 50 ppm) - Cromatográficos (Ánálisis de Gases) Mantenimiento - Tratamiento en caliente de aceite (Reducir el contenido de Humedad < 20 ppm) - Regeneración en caliente de aceite (Recuperar las condiciones originales del aceite - volverlo nuevo)
6.1 Transformador de Potencia TANQUE DE EXPANSIÓN
Sistema con bolsa
Sistema con diafragma
6.1 Transformador de Potencia RADIADOR Sistema ONAF
Sistema OFAF
6.1 Transformador de Potencia PROTECCIÓN MECÁNICA RELÉ BUCHHOLZ
VÁLVULA DE SOBREPRESIÓN
TERMOMETRO DE ACEITE
RELÉ DE SOBREPRESIÓN SÚBITA
TEMPERATURA DE DEVANADO
NIVEL DE ACEITE
SISTEMA CONTRA INCENDIOS
PRESIÓN ESTÁTICA
PRESIÓN DINÁMICA
(Activado con la protección mecánica del Transformador)
(Despresurización rápida)
6.2 Interruptor de Potencia
CAMARA DE INTERRUPCIÓN
AISLADOR SOPORTE
TABLERO DE MANDO
MECANISMO DE ACCIONAMIENTO
6.2 Interruptor de Potencia CAMARA DE INTERRUPCIÓN
Arco
1
: Contacto Principal fijo
2
: Contacto de arco fijo (pin)
3
: Contacto Principal móvil
4
: Contacto de arco móvil
5
: Volumen Puffer
6
: Embolo
7
: Válvula de relleno
6.2 Interruptor de Potencia MECANISMO DE ACCIONAMIENTO Mecanismo de Resortes 6
4
3
5 7
2 1
8
3 1
: Resorte de Cierre (tensado con motor)
2
: Resorte de apertura
3
: Calefacción
4
: Brazo de accionamiento (desplazamiento angular)
5
: Bobinas de apertura
6
: Bobina de cierre
7
: Motor
8
: Contactos auxiliares de posición
Resortes: Este mecanismo almacena la energía para las maniobras de apertura y cierre a través de la carga de resortes. Existe un resorte de apertura y uno de cierre. Con el interruptor en posición ABIERTO, el resorte de cierre está tensado para el cierre por medio de un motor. Luego del cierre se tensa el resorte de apertura y seguidamente el resorte de cierre, quedando el interruptor listo para un eventual recierre, según su secuencia de maniobra O-0.3s-CO-3min-CO. Neumático: Este mecanismo almacena su energía en forma de aire comprimido. La presión de aire se mantiene constante a través de un sistema motor-compresor. Hidráulico: Este mecanismo almacena su energía en forma de presión de aceite (hidrolina). Algunos fabricantes combinan el sistema hidráulico con el de resortes. La respuesta de operación es más rápida.
6.2 Interruptor de Potencia TABLERO DE MANDO Tablero de Mando
4
3
2 1
1
: Pulsadores de mando local
2
: Contador de maniobras
3
: Relés temporizados
4
: Indicador de presión de SF6
5
: Borneras
Es el tablero desde donde se opera manualmente el equipo a través de sus pulsadores y en el que se ubican las señalizaciones, borneras de conexión al cual llegan los contactos de posición, las llaves térmicas, relés temporizados, contador de maniobras. En este tablero se realizarán todas las conexiones requeridas para la prueba del interruptor y cuenta con un esquema eléctrico de conexiones. OTROS ACCESORIOS 1. Resistencia de Preinserción, utilizadas unicamente en el cierre para limitar las sobretensiones en la red durante las operaciones de cierre, son resistencias conectadas en paralelo a la cámara de interrupción. 2. Condensador equipotencial, utilizados en interruptores de varias cámaras para distribuir uniformemente la tensión entre el espacio de los contactos en serie de las cámaras de extinción. 3. Relés de mando sincronizados, utilizados en los casos de sobretensiones y/o sobrecorrientes por maniobras. Lo que se trata es de efectuar conexión ó desconexión en las mejores condiciones para minimizar los transitorios generados en el sistema. Se usa para la energización de banco de condensadores, desenergización de reactores y energización de transformadores.
6.3 Seccionadores de Potencia
CONTACTOS PRINCIPALES
CUCHILLA DE PUESTA A TIERRA AISLADOR SOPORTE
TABLERO DE MANDO CONTACTOS PRINCIPALES TABLERO DE MANDO CUCHILLA DE TIERRA
6.3 Seccionadores de Potencia TIPOS APERTURA HORIZONTAL
APERTURA CENTRAL
PANTÓGRAFO
APERTURA VERTICAL
SEMIPANTÓGRAFO
6.4 Transformadores de Corriente COMPENSADOR DE ACEITE
COMPENSADOR DE ACEITE ACEITE
NÚCLEOS SECUNDARIOS TERMINAL
PRIMARIO
AISLADOR
AISLADOR
NÚCLEOS SECUNDARIOS CAJA DE CONEXIONES
6.4 Transformadores de Corriente TIPOS
Según las características constructivas de la bobina primaria podrán ser: - Tipo bobinado, el primario cuenta con mas de una vuelta - Tipo barra, el primario consta de una barra pasante - Tipo ventana, no cuenta con primario Según las características de conexión podrán ser de relación primaria ó secundaria
Tipo Bobinado P1
P2
1S1 1S2
Tipo barra P1
Relación primaria P2
P1
C2
P2 C1
1S1 1S2 2S1 2S2
P1
C1
P2
P2
P1
C1
P2 1S1
2S1
1S1 1S2
P2
C2
100 Amp
1S1
P1
50 Amp P1
Tipo Ventana
C2
Relación secundaria
1S2
1S1
50-100 / 1 Amp Núcleo 1 : 1S1-1S2 ( 50/1 Amp ó 100/1 Amp), depende de la conexión en el primario
1S2
1S3
2S2
1S2
1S3
2S3
50-100 / 1/1 Amp Núcleo 1 (Medición) : 1S1-1S2 ( 50/1 Amp); 1S1-1S3 ( 100/1 Amp) Núcleo 2 (Protección) : 2S1-2S2 ( 50/1 Amp); 2S1-2S3 ( 100/1 Amp)
6.4 Transformadores de Corriente POLARIDAD
Polaridad a la Barra
Polaridad a la Línea Barra
Barra
P1
P2
1S1
1S2
P1
1s1
P1
1s1
P2
1s2
P2
1s2
P1
1s1
P1
1s1
P2
1s2
P2
1s2
P1
1s1
P1
1s1
P2
1s2
P2
1s2
1S3
Línea
Línea
6.5 Transformadores de Tensión TIPO CAPACITIVO TERMINAL PRIMARIO
TIPO INDUCTIVO
AISLADOR
COMPENSADOR DE ACEITE
TERMINAL PRIMARIO C1
CONDENSADOR
ACEITE TERMINAL DE ALTA FRECUENCIA
TOMA DE TENSIÓN INTERMEDIA TRANSFORMADOR DE TENSIÓN INDUCTIVO
C2
NÚCLEOS SECUNDARIOS
CAJA DE CONEXIONES
6.5 Transformadores de Tensión
T
L
Impedancia de la Trampa de Onda Impedancia de los condensadores C1 y C2
6.6 Descargador de sobretensión DST
RESORTE
DUCTO DE ALIVIO DE PRESIÓN ACEITE
AIRE SECO
AISLADOR
CUBIERTA DE PLASTICO
PASTILLAS DE OZn MEMBRANA PARA ALIVIO DE PRESIÓN
6.6 Descargador de sobretensión SELECCIÓN DEL DST Calculo Tensión Nominal Ur
1.- Máxima Tensión de Operación Continua: MCOV ó Uc = Umáx(equipo)/V3 = 245/V3 = 141.6 kV 2.- Sobretensión temporal TOV del sistema: TOV = Umáx (equipo)/V3 x Factor de tierra a) Sistema neutro puesto a tierra : Factor de tierra = 1.4 b) Sistema aislados : Factor de tierra = 1.73 Para el caso a) TOV = 198.2 kV 3.- El Ur será el mayor valor entre Ro y Re donde: Ro = MCOV / Factor de diseño del pararrayos (0.8) Ro = 177 kV Re = TOV / Kt (depende del tiempo que dure la sobret. temporal) horas
Kt = 1.15 si t=1 seg.; Kt = 1.06 si t=10 seg. y Kt = 0.95 si t=2
Re = 187 kV (si Kt = 1.06) Por lo tanto el mayor valor es 187 kV 4.- Se aplica un factor de incremento 5% (para U > 100 kV); 10% (para U<100 kV) Es decir 187 x 1.05 = 196.3 kV Por lo tanto se tomará el valor normalizado mas alto (ver tabla), es decir : Ur = 198 kV 5. Las características de TOV que soporta el pararrayos están dadas en una curva en función del tiempo. La tabla muestra dos puntos de ésta para 1 seg y 10 seg.
6.6 Descargador de sobretensión SELECCIÓN DEL DST Calculo de los Niveles de Protección (220 kV) 1.- Las características de Nivel de Protección del Pararrayos para impulso atmosférico (NPA) ó su equivalente a la tensión máxima residual (8/20µs) para una corriente de descarga de 10 kA es de 451 kV. Dichas características están dadas en una curva en función de la corriente de descarga del pararrayos. 2.- Las características de Nivel de Protección del Pararrayos para impulso tipo maniobra (NPM) ó su equivalente a la tensión máxima residual (30/60 µs) para una corriente de impulso de maniobra de 2 kA es de 410 kV
6.6 Descargador de sobretensión SELECCIÓN DEL DST (220 kV)
El gráfico muestra un resumen de los niveles protección obtenidos en el proceso de selección de los pararrayos así como también los margenes de protección (MP) que para el caso de sobrensiones de impulso tipo atmosférico es de 2.32 y de tipo maniobra 2.07. Como regla hay que considerar lo siguiente: 1.- Para sobretensiones de impulso atmosférico y maniobra: - NPA (Pararrayo) < BIL (equipamiento) - NPM (Pararrayo) < SBL (equipamiento) 2.- Para sobretensiones temporales - TOV (Pararrayo) > TOV (Sistema) - Uc (Pararrayo) > Vmáx (Sistema)
6.7 Sistemas Complementarios Sistema de Protecciones Sistema de Control y Comunicaciones
Sistema de Puesta a Tierra Sistema de Servicios Auxiliares
7. CRITERIOS DE DISEÑO DEL PR-20
FIN
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