SEGURIDAD188-26200-002-MC-A

VILLA HAYES - ANDE PARAGUAY Memoria de cálculo de distancias mínimas y de seguridad 220 kV DOCUMENTO: 188-26200-002-MC

REV. A

TABLA DE CONTENIDOS 1

OBJETIVO .................................................................................................... 4

2

ALCANCE..................................................................................................... 4

3

DEFINICIONES............................................................................................. 4

4

DIMENSIONAMIENTO DE LA SUBESTACIÓN ........................................... 5

4.1. Distancias mínimas y de seguridad .......................................................................................... 5 4.2. Circulación de vehículos ........................................................................................................... 7 4.3. Distancia mínima entre fases en condiciones de viento (aWmin) ............................................... 8 4.4. Distancia mínima entre fases en condiciones de corto circuito (aSmin) ..................................... 9 4.5. Niveles de conexión ................................................................................................................ 11 5

REFERENCIAS .......................................................................................... 13

5.1. Internas ................................................................................................................................... 13 5.2. Externas .................................................................................................................................. 13 ANEXO 1: VERIFICACIÓN DE DISTANCIAS EN CONDICIONES DE VIENTO14 ANEXO 2: VERIFICACIÓN DE DISTANCIAS EN CONDICIONES DE CORTO CIRCUITO .......................................................................................................... 18

File: 188-26100-002-MC HMV INGENIEROS LTDA

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LISTA DE FIGURAS Figura 1 – Distancias de seguridad IEC 61936-1 [6]. .............................................. 6 Figura 2 – Zona de circulación de vehículos [6] ...................................................... 7 Figura 3 – Verificación zona de circulación de vehículos entre celdas [2] ............... 8 Figura 4 – Distancias mínimas fase-fase (condiciones de viento) ........................... 9 Figura 5 – Distancias mínimas fase-fase (condiciones de corto circuito) .............. 10 Figura 6 –Representación de los niveles de conexión. ......................................... 11

LISTA DE TABLAS Tabla 1 – Distancias mínimas y de seguridad, parte I [3], [4] y [6]. ......................... 6 Tabla 2 – Distancias mínimas y de seguridad, parte II ............................................ 7 Tabla 3 – Distancias mínimas fase-fase (condiciones de viento) ............................ 9 Tabla 4 – Distancias mínimas fase-fase (condiciones de corto circuito) ............... 10 Tabla 5 – Primer nivel de conexión ....................................................................... 11 Tabla 6 – Segundo nivel de conexión ................................................................... 12 Tabla 7 – Tercer nivel de conexión ....................................................................... 12 Tabla 8 – Resumen niveles de conexión de diseño .............................................. 12


3


1

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OBJETIVO

Este documento presenta el cálculo de las distancias mínimas y de seguridad que se deben preservar en el patio de 220 kV de la subestación Villa Hayes.

2

ALCANCE

De acuerdo con la norma IEC 60071-2 una subestación como instalación completa no puede ser probada como un todo, pero es necesario asegurar que tiene el esfuerzo dieléctrico adecuado. En la norma, de acuerdo con las tensiones de aislamiento (impulso y maniobra) se establecen unas distancias mínimas de acuerdo con diferentes configuraciones de electrodos. Por requerimientos de seguridad se requieren otras distancias eléctricas más grandes, como se determinan más adelante. Las distancias eléctricas así determinadas servirán de insumo para el diseño de la disposición física a nivel de 220 kV. Así mismo, estas deberán ser verificadas en todas las conexiones y posicionamientos de los equipos para el nivel de 220 kV.

3

DEFINICIONES

a) Distancia mínima: Distancia más corta permitida en el aire entre partes energizadas (DL) o entre partes energizadas y tierra (N) [6]. estos valores son definidos en el estudio de coordinación de aislamiento. Sin embargo se usará la distancia que sugiere la referencia [4]. b) Zona de peligro: Área limitada por la distancia mínima alrededor de partes energizadas (DL) sin protección contra contacto directo [6]. c) Zona de proximidad (DV): Zona que rodea la zona de peligro, límite exterior el cual es limitado por la distancia (D V) [6]. d) Altura mínima (H): Mínima distancia vertical permitida entre superficies accesibles y partes energizadas sin protección contra contacto directo o partes que puedan ser objeto de una tensión peligrosa [6]. e) Distancia de diseño entre fases: Distancia de separación entre conductores de fase. Debe ser como mínimo la distancia mínima fase-fase, D L [4]. File: 188-26100-002-MC HMV INGENIEROS LTDA

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f)

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Distancia mínima entre fases en condiciones de viento (a wmin): Distancia mínima entre conductores que debe mantenerse bajo condiciones de bamboleo por viento. Debe ser al menos el 75% de la distancia mínima entre fases DL[6].

g) Distancia mínima entre fases en condiciones de corto circuito (a smin): Distancia mínima entre conductores que debe mantenerse bajo condiciones de corto circuito. Debe ser al menos el 50% de la distancia mínima entre fases DL [6]. h) Primer nivel de conexión: Corresponde a la altura del nivel de conexión de equipos, debe ser igual o mayor a la altura mínima H. i)

Segundo nivel de conexión: Según el arreglo físico del patio de conexión, corresponde al nivel de conexión de barras.

j)

Tercer nivel de conexión: Según el arreglo físico del patio de conexión, corresponde al nivel de las conexiones superiores.

k) Distancia al cerco perimetral: Distancia más corta permitida entre el cerramiento externo y partes energizadas o partes que puedan ser objeto de una tensión peligrosa, según referencia [6].

4 4.1.

DIMENSIONAMIENTO DE LA SUBESTACIÓN

Distancias mínimas y de seguridad

Las distancias eléctricas equivalen al espaciamiento, mínimo, en el aire entre partes energizadas de equipos y tierra, o en equipos sobre los cuales es necesario realizar un trabajo. Para garantizar la seguridad de las personas dentro de la subestación, se considera que la zona de seguridad para la circulación de personal es igual a la altura de un hombre que está parado en el piso de la subestación con los brazos levantados sin herramientas de tamaño considerable en la mano. Se considera una distancia de 2250 mm que determina la altura mínima de seguridad, tal como se indica en la figura 1 [6]. File: 188-26100-002-MC HMV INGENIEROS LTDA

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Figura 1 – Distancias de seguridad IEC 61936-1 [6].

Donde,  =N,

distancia mínima de seguridad

 =N+2000,

para   110 kV N: distancia mínima H: Altura mínima Las distancias mínimas y de seguridad se calculan de acuerdo a las referencias [3], [4] y [6]. En las tablas 1 y 2 se presentan los resultados obtenidos. Tabla 1 – Distancias mínimas y de seguridad, parte I [3], [4] y [6]. Tensión nominal [kV] 220


Soportabilidad por Impulso tipo rayo (LIWV) [kV]

Fase-fase

Fase-tierra

1050

2750 [4]

2370 [4]

Distancia mínima a partes vivas [mm]

6


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Tabla 2 – Distancias mínimas y de seguridad, parte II Valor básico (DL) (N) [mm]

Distancia que delimita zona de proximidad DV (N+2000) [mm]

2370 4370 (*) Valor correspondiente al primer nivel de conexión [2].

4.2.

Altura mínima calculada H (N+2250) [mm]

Altura mínima diseño [mm]

4620

570 (*)

Circulación de vehículos

Al interior de las subestaciones eléctricas se debe garantizar un espaciamiento tal que permita el tránsito seguro de automotores. En la figura 2 se muestra esta área.

Figura 2 – Zona de circulación de vehículos [6] Donde “T” corresponde a la distancia mínima para protección de vehículos. Esta

se encuentra dada por: T=N+100 (mínimo 500 mm) De la tabla 2, se tiene el valor de N equivalente a 2370 mm. En consecuencia: T=2370+100=2470 mm


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En la figura 3 se muestra un corte de la subestación [2] en el cual se aprecia el espacio definido para circulación de vehículos y garantizando así el cumplimiento de las distancias mínimas.

Figura 3 – Verificación zona de circulación de vehículos entre celdas [2]

4.3.

Distancia mínima entre fases en condiciones de viento (aWmin)

La distancia mínima entre fases bajo condiciones de viento (a Wmin), se calcula en el punto de flecha máxima (Y 0) para el vano más largo, el cual se encuentra en la zona de transformadores en el paso de vía, teniendo en cuenta la resultante de las fuerzas de viento (Fw) y peso del conductor (W), que hacen que los conductores (separados una distancia b), se desplacen una distancia en la horizontal (Y k) y un ángulo (Ø). Ver Figura 4 y anexo 1. Este cálculo se basa en la sección 5.5 de la referencia [6].


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Figura 4 – Distancias mínimas fase-fase (condiciones de viento)

Evaluando el vano más largo por ser el más crítico, se elabora la tabla 3 en la cual se presentan los resultados obtenidos. La peor condición, para la distancia mínima entre fases calculada, se presenta entre uno de los conductores movido un ángulo  y la vertical en el otro conductor. Tabla 3 – Distancias mínimas fase-fase (condiciones de viento)

Instalación

Long. vano [mm]

Bahías 220 kV ACAR 2250 MCM

70000

Ang. (ø) [°]

Flecha máx. (Y0) [mm]

Desplazamiento horizontal (Yk) [mm]

Distancia mínima calculada aWmin (0,75*DL) [6] [mm]

34,1

2400

1340

1777

Distancia mínima entre fases calculada (Yk+ aWmin) [mm]

Distancia entre fases de diseño [1] [mm]

Cumple

3117

8000

Si

No se elabora cálculo de desplazamiento bajo condiciones de viento en barras ya que ésta corresponde a conductores rígidos los cuales no presentan movimiento significativo ante esta situación. 4.4.

Distancia mínima entre fases en condiciones de corto circuito (aSmin)

Esta condición se calcula según el procedimiento descrito en la referencia [7]. En la Figura 5 se muestra el comportamiento de los conductores durante un cortocircuito.


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Figura 5 – Distancias mínimas fase-fase (condiciones de corto circuito)

Igualmente se evalúa el vano más largo, el cual se encuentra en la zona de transformadores en el paso de vía, siendo el vano más crítico. En la tabla 4 se observan los resultados obtenidos para este caso, ver Anexo 2. Tabla 4 – Distancias mínimas fase-fase (condiciones de corto circuito)

Instalación

Bahías 220 kV ACAR 2250 MCM

Long. total del vano [mm]

70000

Flecha Equivalente (Y0k) [mm]

2200

Desplazamient o horizontal (YK) [mm]

480

Distancia mínima aSmin (0,50*DL) [6] [mm]

Distancia mínima entre fases calculada (2*Yk+ aSmin) [mm]

Distancia entre fases de diseño

1185

2145

8000

Cumple

[mm] Si

No se elabora cálculo de desplazamiento bajo condiciones de corto circuito en barras ya que ésta corresponde a conductores rígidos los cuales no presentan movimiento significativo ante esta situación.


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4.5.

REV. A

Niveles de conexión

En la figura 6 se muestran los 3 niveles de conexión para el caso de la subestación Villa Hayes 220 kV en forma esquemática.

Figura 6 –Representación de los niveles de conexión.

El primer nivel de conexión (PNC) se calcula según se definió en el numeral 4.1. Los resultados obtenidos para el primer nivel de conexión se observan en la Tabla 5. Tabla 5 – Primer nivel de conexión Tensión nominal [kV]

Mínimo calculado [mm]

PNC Diseño [mm]

220

4620

5750

El segundo nivel de conexión (SNC) está dado por la altura de la barra de transferencia de 220 kV, la cual depende de la altura de posicionamiento del contracontacto del seccionador pantógrafo. File: 188-26100-002-MC HMV INGENIEROS LTDA

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En la Tabla 6 se muestran los resultados para calcular el posicionamiento del contracontacto. Ver plano del equipo entregado por ANDE en referencia [5]. Tabla 6 – Segundo nivel de conexión Tensión nominal [kV]

Altura de estructura [mm]

Altura del equipo con brazo conductor extendido [mm]

Altura del contracontacto [mm]

SNC (Altura de barra de transferencia) diseño [mm]

3000

6265

691± 275

10000

220

El tercer nivel de conexión (TNC) está dado por:

TNC = Y 0 + DV + SNC .

Donde: Y 0 : DV : SNC:

Flecha máxima del vano (mayor entre condición de viento y corto circuito) Distancia que delimita la zona de seguridad. Segundo Nivel de Conexión.

De acuerdo a la explicación anterior, en la Tabla 7 se muestran los resultados para el tercer nivel de conexión, dado por la templa superior. Tabla 7 – Tercer nivel de conexión Tensión nominal [kV]

Y0 [mm]

DV [mm]

SNC diseño [mm]

TNC calculado [mm]

TNC diseño [mm]

220

2400

4370

10000

16700

18000

En resumen, los niveles de conexión de diseño se muestran en la Tabla 8. Tabla 8 – Resumen niveles de conexión de diseño Tensión nominal [kV]

PNC diseño [mm]

SNC diseño [mm]

TNC diseño [mm]

220

5750

10000

18000

Los valores anteriores son similares a los existentes, por lo tanto el arreglo físico actual no sufrirá cambio alguno. File: 188-26100-002-MC HMV INGENIEROS LTDA

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5 5.1.

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REFERENCIAS

Internas

[1]

188-26210-101-PL, Disposición física subestación Villa Hayes 220 kV – Planta Diseño Básico.

[2]

188-26210-102-PL, Disposición física subestación Villa Hayes 220 kV – Secciones Diseño Básico – Hoja 1.

[3]

188-24000-001-MC, Estudio de coordinación de aislamiento 500 kV y 220 kV.

[4]

188-26100-001-MD Caracterización de la ampliación de la subestación Villa Hayes

[5]

5.2.

1HM_302_B0003_0390_15. Plano dimensiones Seccionador pantógrafo vertical 220 kV. Externas

[6]

IEC 61936-1: “Power installations exceeding 1 kV a.c. – Part 1: Common rules.”

[7]

IEC 60865-1: “Short circuit currents – Calculation of effects. Part 1: Definitions and calculation methods.”

[8]

IEC 60071-1: “Insulation coordination -Part 1: Definitions, principles and rules. ”

[9]

IEC 60071-2: “Insulation coordination -Part 2: Application guide.”

[10]

Working Group 23.03: “The mechanical effects of shor t-circuit currents in open air substations (Part II) de CIGRE.”


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ANEXO 1: VERIFICACIÓN DE DISTANCIAS EN CONDICIONES DE VIENTO


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REPORTE DE PROGRAMA HMV Tools

Cálculo de Cargas Estáticas Conductores Flexibles

Proyecto:

RIEDER - Preingeniería y la ingeniería de detalle para la ampliación de las subestaciones Ayolas y V

Subestación:

SE Villa Hayes

Trazabilidad:

2923-C200-02-03-1

Caso:

Trafos 220 kV VHA

Documento:

MC

Metodología de Cálculo: DATOS DE ENTRADA Cable

ACAR 2250 - ACAR

Calibre

2250 MCM

Sección, (mm²)

1.140,00

Peso, (kg/km)

3.164,00

Diámetro exterior, (mm)

43,92

Subconductores por fase, (haz)

2

Módulo de elasticidad, (kg/mm²)

5.696,00

Módulo de dilatación termica, ( 1/C°)

2,30E-005

Vano evaluado, (m)

70,00

Desnivel del vano evaluado, (m)

8,00

Factor de exposición

C

Altura del conductor, (m)

18,00

Número de resortes

0

Rigidez resortes, (kg/m)

0,00

Temperatura de referencia, (C°)

60,24

Porcentaje de la flecha del vano, (%)

3,00

Longitud de plato aislador, (m)

0,15

Peso del plato aislador, (kg)

8,00

Diámetro del plato aislador, (m)

0,25

DATOS DE ENTRADA CADENA A Cantidad de platos

19,00

Longitud adicional herrajes, (m)

0,70

Peso adicional herrajes, (Kg)

10,00

DATOS DE ENTRADA CADENA B Cantidad de platos

19,00

Longitud adicional herrajes, (m)

0,70

Peso adicional herrajes, (Kg)

10,00


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DATOS DE SALIDA Longitud cadena A, (m)

3,47

Peso cadena A, (kg)

162,00

Longitud cadena B, (m)

3,47

Peso cadena B, (kg)

162,00

Módulo de elasticidad equivalente, (kg/mm²)

5.696,00

Tensión mecánica longitudinal, STl (N)

38.590,00

Tensión mecánica transversal, STt (N)

0,00

Incremento de TS por hielo, STi (N)

0,00

Peso del conductor, DL (N)

9.063,00

Peso de hielo, ILe (N)

0,00

Incremento de ST por viento máximo, Wl (N)

31.403,00

Viento máximo transversal, Wt (N)

5.834,00

Incremento de ST por viento reducido, Wrl (N)

0,00

Viento reducido transversal, Wrt (N)

0,00 TENSIONES TOTALES Veloc. Viento (km/h)

Temp.

(Cº)

Esp. Hielo (mm)

Li (N)

Vi en A (N)

Ti (N)

Vi en B (N)

-3,00

0,00

0,00

38.590

0

-450

9.063

-3,00

160,00

0,00

69.993

5.834

-1.170

15.578

60,24 90,00

0,00 0,00

0,00 0,00

26.894 24.042

0 0

888 1.215

7.727 7.401

90,00

160,00

0,00

46.123

5.834

1.569

12.845

Li = Carga longitudinal máxima de conexión (N)

Vi = Carga vertical máxima de conexión (N)

Ti = Carga transversal máxima de conexión (N)

CARGAS DE DISEÑO Temp.

(Cº)

Veloc. Viento (km/h)

Esp. Hielo (mm)

-3,00 -3,00

0,00 160,00

0,00 0,00

60,24

0,00

90,00 90,00

0,00 160,00

DL en A (N)

DL en B (N)

STI. (N)

W I (N)

Di en A (N)

STil (N)

Di en B (N)

-450 -1.170

9.063 15.578

38.590 38.590

0 31.403

0 0

0 0

0 0

0,00

888

7.727

26.894

0

0

0

0

0,00 0,00

1.215 1.569

7.401 12.845

24.042 24.042

0 22.082

0 0

0 0

0 0

STl = Carga estática longitudinal, (N)

Wl = Carga longitudinal adicional por viento (N)

STt = Carga estática transversal, (N)

Wt = Carga transversal viento (N)

DL = Carga estática vertical, (N)

STil = Carga longitudinal adicional por hielo (N) Di = Carga vertical efecto del hielo (N)

ALTURAS Y FLECHAS Temp.

(Cº)

Veloc. Viento (km/h)

Esp. Hielo (mm)

Flecha (m)

X Fle (m)

Alt. min. (m)

Ang. por Despla. X alt. Long. el viento por viento min. (m) Cable (m) (m) (°)

-3,00 -3,00

0,00 160,00

0,00 0,00

1,46 1,57

40,00 37,53

18,10 18,09

3,48 3,48

63,57 63,58

0 34,1

0 0,88

60,24

0,00

0,00

2,09

40,00

17,98

3,48

63,65

0

0

90,00

0,00

0,00

2,34

40,00

17,93

3,48

63,70

0

0

90,00

160,00

0,00

2,40

37,60

17,93

3,48

63,71

34,1

1,34

Flecha = Flecha máxima (m)

Alt min = Altura mínima del vano (m)

X Fle. = Distancia en X desde A hasta flecha (m)

X Alt mín = Distancia en X desde A hasta la altura mínima (m)


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PESOS ADICIONALES, FLECHAS Y ALTURAS Dist. de A. (m)


Temp. (Cº)

Veloc. Viento (Km/h)

Esp. Hielo (mm)

Peso (kg)

Flecha (m)

Desnivel (m)

40,00

-3,00

0,00

0,00

65,00

1,46

21,11

40,00

-3,00

160,00

0,00

65,00

1,57

21,00

40,00

60,24

0,00

0,00

65,00

2,09

20,47

40,00

90,00

0,00

0,00

65,00

2,34

20,22

40,00

90,00

160,00

0,00

65,00

2,39

20,17

58,00

-3,00

0,00

0,00

90,00

0,95

23,67

58,00

-3,00

160,00

0,00

90,00

0,95

23,67

58,00

60,24

0,00

0,00

90,00

1,37

23,25

58,00

90,00

0,00

0,00

90,00

1,53

23,09

58,00

90,00

160,00

0,00

90,00

1,45

23,17

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ANEXO 2: VERIFICACIÓN DE DISTANCIAS EN CONDICIONES DE CORTO CIRCUITO


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REV. A

DATOS DE ENTRADA

Nivel de tensión

Patio 220 kV - VHA

Corriente de corto trifásica, (A)

31.500

Relación reactancia vs resistencia, (X/R)

12,00

Cable

ACAR 2250 - ACAR

Calibre

2250 MCM

Sección, (mm2)

1.140,00

Peso, (kg/km)

3.164,00

Diámetro exterior, (mm)

43,92

Subconductores por fase, (haz)

2,00

Distanc ia entr e subc onductor es del haz, (m)

0,45

Duracción de la falla, (s)

0,40

Frecuencia del sistema, (Hz)

50,00

Temp. mínima, ( C°)

-3,00

Temp. de operación de cables, (C°)

90,00

Distancia separación entre apoyos, (m)

70,00

Longitud de cadena de aisladores, (m)

3,47

Distancia de separación entre fases, (m)

8,00

Rigidez de los soportes, (N/mm)

0,00

Distancia media entre espaciadores, (m)

20,00

Número de resortes

0,00

Constante de resortes, (kg/m)

0,00

Peso de cargas adicionales, (kg)

155

DATOS DE SALIDA

Temp. Mín. (-3 C°)

Temp. Máx. (90 C°)

Fuerza estática del conductor,Fst, (N)

38.589,66

24.041,79

Flecha equivalente del conductor, bc, (m)

1,37

2,20

Fuerza por corto circuito, Ft, (N)

42.980,20

27.015,00

Fuerza después del corto, Ff, (N)

0,00

0,00

Fuerza entre subconductores corto, Fpi, (N)

49.441,80

34.236,20

Fuerza máxima para diseño, SCl, (N)

49.441,80

Fuerza transversal en conexión, SCt, (N)

548,10

Longitud del vano de conductor, lc, (m)

63,06

Desplazamiento horizontal, bh, (m)

0,48

Distancia mínima entre fases, amin, (m)

7,04


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