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MEMORIA DE CÁLCULO DE COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO SUBESTACIÓN ELÉCTRICA MC-L-006 INGENIERÍA ELÉCTRICA PROYECTO: INGENIERÍA INGENIERÍA BÁSICA Y DE DETALL E PARA SUBESTACIÓN ELÉCTRICA ELÉCTRICA DE 85 kV A 23 kV EN DANA TL ALNEPANTLA ALNEPANTL A EDO. DE MÉXICO. MÉXICO. MÉXICO D. F.
B
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PARA APROBACIÓN Y/O COMENTARIOS
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A
DIC/15
CHEQUEO CRUZADO
DIC/15
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APROBADO
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1.
ÍNDICE 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 TIPO DE 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 muchos casos, cientos de kilómetros se hace necesario considerar diversos factores para un buen desempeño del 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 aisladores a 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 a través de ellos. Deben aislar eléctricamente el conductor de la torre, soportando la tensión en condiciones normales y anormales, y sobretensiones hasta las máximas previstas (que los estudios de coordinación del aislamiento definen con cierta probabilidad de ocurrencia). La tensión debe ser soportada tanto por el material aislante propiamente dicho, como por su superficie y el aire que rodea al aislador. La falla eléctrica del aire se llama contorneo, y el aislador se proyecta para 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 cuerpo del 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, y forma parte de la región Valle Cuautitlán Texcoco y de la Zona Metropolitana del Valle de México. Se encuentra dividido en dos porciones no continuas separadas por el Distrito Federal, a las que se les denomina Oriente y Poniente, las cuales se encuentran geográficamente entre las siguientes coordenadas: 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 long itud oeste. Poniente: 99° 15’ 22’’ de longitud oeste.
La atmósfera tiene un ambiente Templado Subhúmedo con lluvias en verano Presión 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 materiales compuestos, y la evolución ha ocurrido en la búsqueda de mejores características y reducción de costos. PORCELANA. Es una pasta de arcilla, caolín, cuarzo o alúmina, se le da forma, y por horneado se obtiene una cerámica de uso eléctrico. Este material es particularmente resistente a compresión por lo que 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 moldeado colándolo, 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 parte externa, con formas adecuadas, han introducido en los años más recientes la tecnología del aislador compuesto. Estas modernas soluciones con ciertas formas y usos ponen en evidencia sus ventajas sobre porcelana y vidrio. FORMA DE LOS AISL ADORES. La forma de los aisladores está en parte bastante ligada al material, y se puede hacer la siguiente clasificación: AISL ADORES DE CAMPA NA, (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. AISL ADORES DE BARRA, los hay de porcelana, permiten realizar cadenas de menor cantidad de elementos (más cortas), la porcelana trabaja a tracción y existen pocos fabricantes que ofrecen esta solución, especialmente si se requieren elevadas prestaciones, ya que no es una solución natural para este 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 tensiones elevadas se forma una cadena de algunos elementos, para el aislador compuesto siempre se realiza un único elemento capaz de soportar la tensión total. AISL ADORES RÍGIDOS, en tensiones bajas y medias tienen forma de campana, montados sobre un perno (pin type) y se realizan de porcelana o vidrio. A medida que la tensión crece, tamaño y esfuerzos también, y se transforman en aisladores de columna aptos para soportar esfuerzos de compresión y de flexión (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 el esfuerzo vertical a que se somete la "viga" aislante es muy elevado se agrega un tensor del mismo material (inclinado 45 grados generalmente) dando origen a una forma de V horizontal.
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Los aisladores se completan, como ya indicado, con insertos metálicos de formas estudiadas para la función, y que tienden a conferir movilidad (en las cadenas) o adecuada rigidez (en las columnas). Al especificar los aisladores se resaltan dos tipos de características, que deben combinar por su función, las mecánicas, y las eléctricas. CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS. Los aisladores de cadena deben soportar solo cierta tracción 7000, 16000 o más kg. Deben soportar cierta compresión, y/o cierta flexión. Al estar sometidos a las inclemencias del tiempo una característica muy importante es la resistencia al choque térmico (que simula el pasar del pleno sol a la lluvia). También por los sitios donde se instalan, los aisladores son sometidos a actos vandálicos (tiros con armas, proyectiles pétreos o metálicos arrojados), es entonces importante cierta resistencia al impacto. Frente a estas necesidades, el comportamiento de los tres tipos de materiales es totalmente distinto, el vidrio puede estallar, siendo una característica muy importante que la cadena no se corte por este motivo. La porcelana se rompe perdiendo algún trozo, pero generalmente mantiene la integridad de su cuerpo, mecánicamente no pierde características, solo son afectadas sus características eléctricas. Con los aisladores compuestos por su menor tamaño es menos probable que la agresión acierte el blanco, los materiales flexibles no se rompen por los impactos y las características del aislador no son afectadas CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS Los aisladores deben soportar tensión de frecuencia industrial e impulso (de maniobra y/o atmosféricos), tanto en seco como bajo lluvia. Influyen en la tensión resistida la forma de los electrodos extremos del aislador. Una característica importante es la radio-interferencia, ligada a la forma del aislador, a su terminación superficial, y a los electrodos (morsetería). En las cadenas de aisladores, especialmente cuando el número de elementos es elevado la repartición de la tensión debe ser controlada con electrodos adecuados, o al menos cuidadosamente estudiada a fin de verificar que en el extremo crítico las necesidades que se presentan sean correctamente soportadas. La geometría del perfil de los aisladores tiene mucha importancia en su buen comportamiento en condiciones normales, bajo lluvia, y en condiciones de contaminación salina que se presentan en las aplicaciones reales cerca del mar o desiertos, o contaminación de polvos cerca de zonas industriales. La contaminación puede ser lavada por la lluvia, pero en ciertos lugares no llueve suficiente para que se produzca este efecto beneficioso, o la contaminación es muy elevada, no hay duda de que la terminación superficial del aislante es muy importante para que la adherencia del contaminante sea menor, y reducir el efecto (aumentar la duración). Una característica interesante de los materiales compuestos siliconados es un cierto rechazo a la adherencia de los contaminantes, y/o al agua. La resistencia a la contaminación exige aumentar la línea de fuga superficial del aislador, esta se mide en mm/kv (fase tierra), y se recomiendan valores que pasan de 20, 30 a 60, 70 mm/kv según la clasificación de la posible contaminación ambiental. En este artículo se hace una revisión de las características dieléctricas del aire, tipos de aisladores y los ensayos a los que deben someterse estos. MEMORIA DE CÁLCULO DE COORDINACION DE AISLAMIENTO
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4. CÁLCULO DE COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO. El procedimiento de coordinación de aislamiento de una línea debe efectuarse considerando los valores de tensión que pueden aparecer derivado de los eventos transitorios en el sistema eléctrico al que esta se conecta. La coordinación de aislamiento es el balance entre los esfuerzos eléctricos sobre el aislamiento originado por descargas, maniobras o tipo temporal (inducciones o contactos accidentales contra otras líneas) 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 niveles de tensión tanto nominal como máxima de diseño, así mismo se define que las sobretensiones que más afectan a las líneas de hasta 138 KV son las originadas por descargas atmosféricas, despreciando las sobretensiones de maniobras. Derivado de su trazo, las líneas de alta tensión pueden cruzar zonas con topografía accidentada o regiones con alta presencia de rayos, estas son las líneas que generalmente presentan más fallas por descargas atmosféricas. Para reducir el número de salidas por esta causa, se deben analizar y controlar los siguientes parámetros:
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 cable de guarda a varilla de tierra, en el caso de las torres por la parte interior de la celosía y en el poste 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 la cual el aislamiento soporta un 50% de probabilidad de producir rompimiento de su dieléctrico. Del cual se obtiene las curvas de probabilidades de flameo, apartir de este concepto se define el nivel básico de aislamiento al impulso por rayo (NBAI), como el valor de tensión al que se espera un 10% de probabilidad 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 Flameo σ = Desviación est ándar.
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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 es sometida, para ello es necesario observar dos conceptos: Distancia de fuga de los aisladores en función de los niveles y tipo de contaminación, la longitud de la cadena de aisladores que está dada por la tensión 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, el cual depende de la geometría de las puntas en donde se presente dicho arqueo de forma empírica se ha obtenido la tensión de arqueo en aire de algunos cuerpos geométricos utilizados como electrodos de 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 tensión de operación, los cuales se indican en la tabla 10 debido a las diferentes altitudes en las que operan las lineas de alta tensión se hace necesaria la corrección del Kr proporcionado en la tabla 11 ya que este 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 del mar, por lo tanto, deben cosiderarse los siguientes factores de corrección. Debido a que las caracteristicas eléctricas de los soportes son calculados a condiciones normalizadas se debe hacer una corrección por condiciones atmosféricas, para esto se consideran los siguientes factores. Factor de corrección por densidad de aire (K da)
Donde:
) = (273+ 273+
T = Temperatura ambiente en grados celsius. b = Presión barométrica en mbar. T0 = Temperatura ambiente de condiciones estándar ( 20 °c) MEMORIA DE CÁLCULO DE COORDINACION DE AISLAMIENTO
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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 (k h), 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 humedad relativa del aire mas críticas de las regiones por donde cruza la linea y teniendo el valor de humedad absoluta, por medio de la figura 2 obtenemos el valor de K h considerando los factores de corrección por humedad y por densidad de aire se puede obtener con la relación siguiente: K co = k r ( k da /k h)
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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 húmedo y de la humedad relativa en porciento
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6. DISTANCIA DE FUGA DE LOS AISLADORES EN FUNCIÓN DE LOS NIVELES Y TIPO DE CONTAMINACIÓN. La distancia de fuga de un aislador se define como la distancia más corta, o la suma de distancias más cortas 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 distancia de 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 CFEL000006. 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 equipo de la categoría 1 que se presenta en la especificación CFE L0000-06 Coordinación de aislamiento para condiciones normalizadas de una línea de alta tensión que opera a una tensión de 115 Kv, su nivel básico 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 presión atmosférica a distintas altitudes, se tiene para que el valor de corrección por densidad del aire es de Kda= 0.760 (Valor obtenido de la interpolación) Interpolación
– Y1+ Y1 Y2 = X2 – X3X1Y3 – X1 X1= 2200, X2= 2250, X3 = 2300, Y1=0.765, Y3 = 0.756 Y2=?
756 – 0.765+0.765 Y2 = 2250−22000. 2300 – 2200 009+0.765 Y2 = 50−0. 100 MEMORIA DE CÁLCULO DE COORDINACION DE AISLAMIENTO
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Y2 = (−0.10045)+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/m 3 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 la siguiente expresión:
= = 0.1.7600 =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 para condiciones atmosféricas normalizadas. Kr =
Factor geométrico de entrehierros.
Por lo anterior, para obtener V 50%, 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
% = 1−1.550 30.03 MEMORIA DE CÁLCULO DE COORDINACION DE AISLAMIENTO
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Por lo que
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% = 572.32
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550 % = 1−0.039 % = 0.550 961
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 Kr es de 550 quedando la ecuación:
= 572.55032 = 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 anteriormente donde Kca= 0.760, se utiliza la ecuación con la que se determina la corrección de la distancia en aire por correcciones atmosféricas de presión y humedad descrita a continuación:
= % Sustituyendo los valores obtenidos se tiene lo siguiente:
=1.369 = 1.4 m
32 = 0.7572. 60550 32 = 572. 418
La distancia corregida por condiciones atmosféricas es m.
dco=1.40 m, que sustituye a la distancia de 1.04
Finalmente, para determinar la cantidad de aisladores necesarios para cumplir con la distancia mínima establecida, utilizando aisladores 16SVH044 y tomando en cuenta las correcciones por efectos ambientales, se obtiene con la siguiente expresión.
= MEMORIA DE CÁLCULO DE COORDINACION DE AISLAMIENTO
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Donde dais es la distancia longitudinal del aislador que de acuerdo a la norma de referencia NFR-018CFE en la Tabla 2 “características electromecánicas y dimensionales”, este aislador tiene un
espaciamiento de 140 mm, se tiene entonces lo siguiente:
= 0.1.14400 = 10 Por lo que se obtiene que NA = 10 aisladores, se necesitan 10 aisladores 16SVH044 para las cadenas que soportaran la línea de 85 kV. 7. ANEXOS Anexo A
Tabla 2.- Características electromecánicas y dimensionales
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Anexos B
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Tabla 4.- Niveles de aislamiento normalizado para equipo de la categoría 1.
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Tabla 6.- Niveles de contaminación.
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