Subestaciones Alta Tension Aisladas en Gas GIS

Ing. Johnny Cuevas, Market Manager PPS – ABB Power Systems Division, abril 2014 

Gas Insulated Switchgear-GIS ABB POWER SYSTEMS SUBSTATION © ABB Group April 30, 2014 | Slide 1

Generalidades ¿Qué es la GIS? AIS (Air Insulated Switchgear)

Bahía aislada en aire

Barras aisladas en aire

Barras aisladas en gas SF6

GIS (Gas Insulated Switchgear) © ABB Group April 30, 2014 | Slide 2

Bahía aislada en gas (SF6)

¿POR QUE UNA SUBESTACIÓN GIS? 





Ahorro de espacio, con componentes totalmente encapsulados 

Las condiciones ambientales no influyen en el equipamiento



Es modular y flexible



Volumen optimizados de SF6, y presión alta de gas



Se puede utilizar en alturas mayores a 1000 msnm sin tener el efecto de corrección por altura del aislamiento externo del equipamiento por estar encapsulado en SF6



Cuenta con una alta fiabilidad y disponibilidad

Alta Eficiencia Económica 

Bajo costo de mantenimiento



Vida económica larga (> 40 años)



GIS viene pre-fabricados, pre-probado desde fábrica, originando un corto tiempo de montaje en el proyecto

Eficiente de la Energía 



Es una solución ideal para la integración de las energías renovables (Solar y Eólica)

Tecnología integrada

© ABB Group April 30, 2014 | Slide 3

Generalidades Beneficios – Bajo requerimiento de espacio Comparando una bahía aislada en aire en 400kV, la bahia GIS, ABB requiere el 4 % del volumen total.


TRADICIÓN E INNOVACIÓN Hitos en más de 40 años de experiencia Pioneer & Leader in GIS-Technology




1956

First research with SF6



1965

First GIS, 110 kV



1966

First GIS, 170 kV



1976

First GIS, 550 kV



1978

First GIS, 80 kA, 245/550 kV



1987

First GIS, 800 kV



1992

First GIS, Container, 145 kV



1997

First GIS, very compact, 123 kV



1998

First GIS, 3-phase, 50kA, 170 kV



2003

First GIS, 3-phase, 63kA, 145 kV



2008

First GIS, 1100 kV

Generalidades Portafolio Distribución (≤ 170kV) ENK 72.5 kV

ELK-04 145 kV

ELK-04 170 kV

ELK-14 252 kV

ELK-14 300 kV

ELK-3 420 kV

ELK-3 550 kV

ELK-4 800 kV

ELK-5 1100 kV

Transmisión (≥ 220kV)


ABB GIS Product Portfolio Información técnica

Type

Sub-Transmission

Transmission

52-170kV

245-1100kV

ELK-04

ELK-14

Three phase

Three-, Single phase

Rated Voltage (KV)

145/170

245/252/300

420/550

800

1100

Rated Power Frequency Withstand Voltage * (kV)

275/325

460

650/740

960

1100

Rated Lightning Impulse Withstand Voltage* (kV)

650/750

1050

1425/1550

2100

2400

Rated Normal Current (A)

2500/3150/4000

3150/4000

4000/6300

4000/5000

4000/6300

40/50/63

50/63

63

50

50

Enclosure

Rated Short Circuit Breaking Current, 3s (kA) * Against earth © ABB Group April 30, 2014 | Slide 7

ELK-3

ELK-4

ELK-5

Single phase

Generalidades Referencias – Nuestras fábricas ABB Factory “Oerlikon-Zürich“ Scope of activities: Development, Manufacturing, Engineering and Sales Support GIS 245 kV - 1100 kV

ABB Factory “Hanau - Grossauheim“ Scope of activities: Development, Manufacturing, Engineering and Sales Support GIS up to 170 kV ABB Factory “Xiamen“ Scope of activities: Manufacturing, Engineering and Sales GIS 145 kV - 550 kV


SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA

GENERACION –TRANSMISIÓN-CLIENTES LIBRES-DISTRIBUCIÓN-USUARIOS FINALES © ABB Group April 30, 2014 | Slide 9

TIPOS DE SUBESTACIONES

G E N E R A C I Ó N

Subestación de Interruptores de generaciónautomáticos

Cargas Mineras e Industrias (Clientes Libres)

Subestaciones de Distribución Subestación de Transferencia

Subestación de de transformación

Usuarios comercialesCliente Libres

10

Tomado Abb Review 1/2008

TIPOS DE SUBESTACIONES CONVENCIONALES O AISLADAS EN AIRE

ENCAPSULADAS O AISLADAS EN SF6 GIS


FUNCIONES DE LAS SUBESTACIONES Seguridad

Separar el sistema de aquellas partes con falla

Explotación

Configurar el sistema con el fin de dirigir los flujos de potencia de forma óptima, desde el punto de vista de seguridad en el servicio, reducción de pérdidas y permitir funciones de mantenimiento sobre los equipos

Interconexión

Interconectar los Sistema Eléctricos de diferente tensión, conectar generadores, líneas de transmisión, y sistemas de compensación.


Tecnología GIS Componentes modelo ELK-04 Circuit Diagram  Double bus-bar bay  Legend

3 1 2

4 1 6

3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 © ABB Group April 30, 2014 | Slide 13

Disconnecting and Earthing switch Circuit Breaker Current Transformer Disconnecting and Earthing switch Voltage Transformer Fast Acting Earthing Switch Cable Exit

5

ELK-04  Double bus-bar bay

2

7

ELK-04  Substation with 7 bays  Double bus-bar

Tecnología GIS Componentes modelo ELK-14 Modulo de Barras con Cuchillas Desconectadoras

Transformador de Corriente

Modulo de Cuchillas de Puesta a Tierra (lento)

Transformador de Tensión Inductivo

Terminal Cable

Cuchillas de Puesta a Tierra de cierre rapido Gabinete de Control Local y Mecanismos de Operacion © ABB Group April 30, 2014 | Slide 14

Interruptor de Potencia

Cadena Cinematica Flexible

Tecnología GIS Componentes modelo ELK-14 Modulo de Cuchillas de Puesta a Tierra (lento) Modulo de Barras con Seccionadores

Transformador de Corriente

Transformador de Tensión Inductivo

Cuchillas de Puesta a Tierra de cierre rapido

Terminal Cable

Gabinete de Control Local y Mecanismos de Operacion © ABB Group April 30, 2014 | Slide 15

Interruptor de Potencia

Tecnología GIS Alta confiabilidad, compacta y componentes aptos para 253kV 1. Producto innovador. ELK-14 Vista lateral Bahia en Arreglo Doble Barra 253kV, 50kA, 3150A

2. Diseño muy compacto. 3. Amigable con el medio ambiente. 4. Excelente accesibilidad. 5. Combinación de módulos probados de varios rangos de productos.

ELK-14 Bahia en Arreglo Doble Barra 253kV, 50kA, 3150A


6. Completamente probado en fábrica, incluyendo el gabinete de Control Local. 7. Alto nivel de estandarización que ofrece la máxima flexibilidad para una configuración mediante bloques.

Tecnología GIS Producto innovador y compacto 1.

Aisladores monofásico.

2.

Volumen de gas compartido trifásicamente

3.

Reducción de dimensiones en un 40%

a) Sensible reducción en el costo del edificio. b) Reducción de la carga y momentos transmitidos a la base debido a la última generación de interruptores y a que es una bahía autosoportada. © ABB Group April 30, 2014 | Slide 17

Tecnología GIS Diseño muy compacto 1. Ancho de la bahía ≤ 1.5m. 2. Transporte en contenedor estándar. 3. Reducción de área en 33%. 4. Reducción de volumen en 55%.


Tecnología GIS Amigable con el medio ambiente ELK-14 Vista lateral Bahia en Arreglo Doble Barra 253kV, 50kA, 3150A

1. Menor uso de SF6 (10 a 20%) comparado con el modelo anterior ELK14-300. 2. Reducción del numero de bridas a ser conectadas tanto en planta como en sitio 3. Reducción del numero de elementos tales como a) Equipo de alivio de presión


b) Densímetros 4. Ausencia de conexiones externas entre compartimentos => Menor riesgo de fugas de SF6


Tecnología GIS Excelente accesibilidad ELK-14 Bahia en Arreglo Doble Barra 253kV, 50kA, 3150A



1. Todos los localizan en Control Local

mecanismos el Gabinete

se de

2. Todos los Transformadores se encuentran cableados al Gabinete de Control Local sin ninguna conexion intermedia 3. Informacion sobre la densidad del SF6 puede ser proporcionada mediante el uso de instrumentos que combinan deteccion y medicion, con indicacion en el Gabinete de Control Local

Tecnología GIS Combinación de módulos probados 1. ELK-14 Vista lateral Bahia en Arreglo Doble Barra 253kV, 50kA, 3150A

La ELK-14 hace uso de

a) Material de contacto estándar ELK b) Material de aislamiento estándar ELK c) O-rings para hermeticidad de SF6 con amplia experiencia



d) Interruptor de Potencia y Mecanismo de Operación con mas de 50 años de experiencia acumulada

Tecnología GIS Completamente probada en fábrica ELK-14 Bahia en Arreglo Doble Barra 253kV, 50kA, 3150A

1. Reduccion de las labores y tiempo de instalacion y puesta en marcha hasta un 60%. 2. Sensible reduccion del cableado a realizar en sitio.



3. Mayor confiabilidad debido al suministro de bahias completas probadas en Fabrica

Tecnología GIS– Interruptor de Potencia Tecnología de auto soplado

1.

Ultima generacion de tecnologia de Autosoplado con fuerzas de reaccion minimas

2.

Diseño conforme a la norma IEC 62271-100

3.

Incremento de Confiabilidad a)

Incorporacion de trampas de particulas

b)

Eliminacion de aisladores soporte para la camara de interrupcion


Tecnología GIS– Interruptor de Potencia Mecanismo HMB de tipo Resorte Cargado Operacion Tripolar

1. Una misma tecnologia para operacion monopolar y tripolar 2. Libre de Mantenimiento 3. Velocidad controlada del piston 4. Reduccion de las fuerzas mecanicas

Operacion Monopolar

5. En el remoto caso que un disco del paquete se dañe, solamente se pierde 8% de la capacidad de almacenamiento de energia 6. No es afectado por cambios de temperatura 7. Alta confiabilidad


Tecnología GIS-Interruptor de Potencia Beneficios mecanismos HMB Operacion Tripolar: Descargado y en posicion abierto

Utilizacion de la tecnologia mas compacta y bien probada tecnologia del mecanismo tipo resorte HMB con las siguiente ventajas: 1. Mecanismo Auto-supervisado

Operacion Tripolar: Cargado y en posicion abierto

2. Garantia de Operacion debido a la existencia de un grupo de resortes 3. Minimo mantenimiento requerido 4. Amortiguamiento integrado en el piston de operacion

Operacion Monopolar: Cargado A & B abiertas C cerrada


5. Ausencia de riesgo de enclavamientos inoperantes, garantiza la discrepancia de polos a lo largo de la vida util 6. No es afectado por cambios de temperatura

Tecnología GIS Transformadores de Corriente 1. Todos los devanados se encuentra fuera de la envolvente a) Menor riesgo de fugas de SF6

2. Todos los cableados son concentrados en el Gabinete de Control Local y realizados en Fabrica a) No se requiere la realizacion de pruebas de saturacion en sitio b) Se eliminan cajas adicionales c) No hay riesgo de circuitos abiertos d) Sensible reduccion del tiempo de montaje y puesta en marcha


Tecnología GIS Transformadores de Tensión 1. Diseño completamente monofasico 2. Volumen de gas compartido trifasicamente a) Menor riesgo de fugas de SF6 b) Menor posibilidad de operacion del equipo de alivio de presion

3. Todos los cableados son concentrados en el Gabinete de Control Local a) Se eliminan cajas adicionales b) No hay riesgo de circuitos abiertos © ABB Group April 30, 2014 | Slide 27

Tecnología GIS Unidad de desmantelamiento lateral 1. Facilidad del trabajo de montaje gracias a una seccion deslizable de envolvente y conductor 2. Compensacion de la dilatacion termica, lo que elimina la necesidad de compensadores adicionales 3. Envolvente diseñada para soportar la corriente de retorno 4. Secciones de la Subestacion pueden ser tanto removidas como reincorporadas facilmente sin afectar a las bahias adyacentes 5. Junto con el concepto de compartimentacion, ofrece el minimo tiempo muerto 6. La bahia adyacente no sale de operacion © ABB Group April 30, 2014 | Slide 28

Tecnología GIS – Gabinete de Control Local Mando del seccionador, puesta a tierra y puesta a tierra rápida

1.Excelente accesibilidad de todos los mecanismos en el Gabinete de Control Local 2.Un mismo tipo de Mecanismo para 3 funciones: © ABB Group April 30, 2014 | Slide 29

1. Desconectador

Tecnología GIS– Seccionadores de Barra Incluidos en el Módulo de Barras 1. Aislamiento completemente Monopolar 2. Un mismo compartimento de SF6 para las 3 fases a) Menor riesgo de fugas de SF6 b) Menor posibilidad de operacion del equipo de alivio de presion

3. Cuchilla de operacion tripolar 4. Buena visibilidad de los contactos gracias a una mirilla de 5‘‘ 5. Facil montaje / desmontaje gracias a la Unidad de Desensamble Lateral 6. Uso de sistema de contactos estandar 7. Clase M2 (10‘000 C-A)


Tecnología GIS Terminal Cable




Suministro y Responsibilidades entre fabricantes de Subestaciones Blindadas y Cable de acuerdo con el estandar IEC 62271-209



La Subestacion y el Cable pueden ser probados separadamente



Posibilidad de Brida adicional para montaje de Boquilla SF6-Aire para pruebas



Terminal Cable puede ser ajustada para las diferentes Terminales de Cable



Facil acceso para remover el link para pruebas de alta tension

Tecnología GIS-Terminal Cable Tipo Enchufable – Plug In Por proveedor de cable, instalado en sitio

Beneficios: 

No hay material aislante fluido

Por proveedor de cable, que puede ser instalado en fabrica o en sitio



El Terminal Cable no requiere ser abierto en sitio



Pruebas de Rutina completamente realizadas en Fabrica



Menor tiempo de instalacion y puesta en marcha



Es posible su montaje en cualquier posicion

Posibles proveedores:




Sudkable (up to 420kV)



Pfisterer (up to 300kV)



Nexans (up to 525kV)

Tecnología GIS Aislador




Aislador Barrera simetrico para facilitar el arreglo de la Subestacion



Diseño Patentado



No hay esfuerzos mecanicos sobre el aislador



Capacidad para conducir la corriente de retorno.

Modelo ELK 14 Gabinete de Control Local  ABB



Convencional



Moderno



Reduccion en el plazo de entrega



Probado y embarcado con la Bahia blindada



Todo el cableado y las pruebas de rutina son realizadas en fabrica y no tienen que repetirse en sitio



Todos los mecanismos se localizan en el Gabinete de Control Local y su accesibilidad es inmejorable REC670 IED Controlador de Bahia  Control Local control  Interfase con el SAS (IEC61850)  Bloqueos suaves  Synchrocheck Control de Emergencia del Interruptor de Potencia  Selector local/remoto/emergencia con llave  Botones para apertura y cierre de Interruptor  Alarmas de Interruptor, restablecimiento






Soluciones y Variantes Estandar

Configuración de Subestaciones GIS

© ABB High Voltage Products April 30, 2014 | Slide 35

Configuración Subestación GIS Arreglo General Doble Barra


Configuración Subestación GIS Diagrama esquemático de Gas

Beneficios • Alta Disponibilidad. • Bajo Tiempo Muerto. • Bajo impacto ambiental gracias al menor manejo de SF6. © ABB Group April 30, 2014 | Slide 37

Configuración Subestación GIS Diagrama esquemático de Gas – Concepto de Doble Barrera Unidad de Desensamble Lateral Aislador Independiente para cada cuchilla desconectadora

Beneficios  

Minima diversidad de envolventes Compartimentacion Sofisticada   

Buffer



Buffer

Minimo Tiempo Muerto  



Elementos de desensamble lateral Compartimentos buffer

Bajo centro de gravedad y altura total  


Flexibilidad Total Segregacion por Bahia Alta selectividad durante mantenimiento

Relevante para aplicaciones en centrales Hidroelectricas Excelente desempeño en caso de sismos

Configuración Subestación GIS Arreglo General doble barra


Configuración Subestación GIS Arreglo General Doble Barra – Conceptos Básicos de Diseño  No

hay segregacion de la barra por bahia

 No

hay compartimentos buffer entre las dos cuchillas desconectadoras de barra

 No © ABB Group April 30, 2014 | Slide 40

hay compartimentos buffer entre el Interruptor y la

Configuración Subestación GIS Arreglo General - 3 Reglas de Oro Unidad de Desensamble Lateral Aislador Independiente para cada cuchilla desconectadora

Buffer Buffer

 Segregacion

de la Barra por Bahia, para evitar tiempos muertos en toda la barra

 Compartimentos


Buffer entre cuchillas desconectadoras de barras para evitar la salida de operacion de

Configuración Subestación GIS Configuración (1) Doble Barra

Seccionalizador de Barra


Configuración Subestación GIS Configuraciones (2) Interruptor y Medio en linea

Barra de Transferencia


Configuración Subestación GIS Configuraciones (3) Barra de Transferencia


Configuración Subestación GIS Doble Barra con Interruptor de Enlace

1500

1500

BB2

BB1

Bahia Cable © ABB Group April 30, 2014 | Slide 45

Seccion 2

Seccion 1

Bahia Cable Enlace

Bahia Linea

Bahia Cable Bahia Cable

Configuración Subestación GIS Configuración en anillo


Configuración Subestación GIS Configuración interruptor y medio


Principales criterios de diseño de Subestaciones GIS © ABB ABB Group High Voltage Products © April 30, 30, 2014 2014 || Slide Slide 48 48 April

CRITERIOS DE DISEÑO

FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA SELECCIÓN DE LA UBICACIÓN DE LA SUBESTACIÓN


FACTOR

DESCRIPCIÓN

TÉCNICOS

Ubicación requerida en el sistema eléctrico, Área necesaria, características geológicas, accesos,

ECONÓMICOS

Costos de implementación, construcción, operación mantenimiento y explotación

AMBIENTALES

Altura, polución, radio interferencia, impacto ambiental (EIA/CIRA)

ADMINISTRATIVOS

Permisos de construcción, licencias, puesta en servicio.


Ubicación de las Subestaciones características y consecuencias Características

Influencia Diseño

Consecuencia

Área disponible

Disposición, configuración /equipamiento

Costo del terreno, confiabilidad, maniobrabilidad

Topografía

Muros de contención; pendientes, movimiento de tierras

Costos de construcción, montaje, seguridad

Características geotécnicas

Disposición, Fundaciones, edificaciones, red de tierra


Hidrología

Disposición, sistemas de drenaje


Accesos

Disposición general, caminos de acceso a la Subestación, caminos internos


Acometidas de Líneas

Disposición general

Costos de montaje, planeamiento

Polución Ambiental

Línea de Fuga del Equipamiento, limpieza y mantenimiento

Costos

Impacto ambiental

Obras Electromecánicas, Civiles, disposición general

Trabajos y costos administrativos

Nivel sísmico

Diseños Especiales; uso de amortiguadores

Costos de construcción, equipos

Altitud

Distancias eléctricas, aislamiento

Costos, disposición


CRITERIOS DE DISEÑO NORMAS APLICABLES 

IEC - The International Electrotechnical Comisión.



ANSI - American National Standards Institute.



IEEE - Institute of Electrical and Electronic Engineers.



UNE – Norma Europea.



CNE - Código Nacional de Electricidad, Suministro – 2011.



DGE - Dirección General de Electricidad MINEM.



Reglamento de la Ley de Concesiones Eléctricas.



NESC - National Electrical Safety Code.



Reglamento Nacional de Edificaciones (RNE).



Ley general de Residuos Sólidos Nº 27314.



ASTM - American Society for Testing and Materials.



AISI - American Iron and Steel Institute.



SSPC: Steel Structure Painting Council



AWS: American Welding Society



ASCE: American Society of Civil Engineers



AISC: American Institute of Steel Construction



OSHA - Occupational Safety and Health Administration.



PRINCIPALES PARÁMETROS DE DISEÑO 



Tensión 

Tensión nominal del sistema



Tensión máxima del sistema



Tensión nominal del equipo



Tensión máxima del equipo

Nivel de Aislamiento 

Tensión soportada a frecuencia industrial



Tensión soportada para sobretensiones tipo rayo



Tensión soportada para sobretensiones de maniobra



Corriente Nominal



Corriente de cortocircuito



Corriente de cortocircuito en régimen permanente



OTROS PARÁMETROS DE DISEÑO 

Altura sobre el nivel del mar



Temperaturas máximas, mínimas medias



Velocidad y característica del viento



Polución ambiental



Pluviometría



Nivel isoceráunico



Características geotécnicas del terreno




Capacidad portante del terreno



Agresividad física-química del terreno



Características geológicas



Nivel freático


TENSIONES NORMALIZADAS EN EL PERÚ



NIVELES DE AISLAMIENTO Y TENSIONES IEC

Referencia: Norma IEC 60071-1


SISTEMA DE CONTROL Y PROTECCION El sistema de Protección y control conforma por: -IEDs; Reles, medidores, sensores, señales analógicas. -Servidor Scada con HMI -Impresoras -Sistema de Comunicaciones

Tomado Abb Group- CE Sölver-2010 © ABB Group April 30, 2014 | Slide 56

CRITERIOS DE DISEÑO OTROS TÓPICOS DE DISEÑO  Coordinación

del Aislamiento y Selección de Pararrayos

 Diagramas

 Distancias

 Cálculo

de Seguridad

 Selección

de

Barras

y

Conductores  Calculo

y selección de Cadenas de Aisladores y Aisladores soporte

 Sistema


de Apantallamiento

de Cargas en Pórticos y soportes de equipos de Jaula de Faraday

 Sistema  Cables

de Puesta a Tierra

de Energía BT

 Servicios

Auxiliares

 Iluminación

Interior

y Fuerza Exterior e

Referencias © ABB High Voltage Products April 30, 2014 | Slide 58

Referencias Manzanillo, Mexico Caso de Negocios: Año de Puesta en Servicio 2006

1.

Suministro de energía altamente confiable para el estado completo de Colima y significativamente para México.

2.

Planta Termoeléctrica cercana a la costa

3.

Actividad sísmica periódica.

4.

Reemplazo de Subestaciones Aisladas en aire desgastadas.

Solución ABB: 1.

Subestación GIS 420 kV GIS con 10 bahías en configuración interruptor y medio.

2.

Capacidad de resistencia sísmica probada.

Beneficios del cliente:


1.

GIS similar soportó un terremoto de 7.6 en la escala de Richter.

2.

Suministro de energía eléctrica confiable, ya que los apagones se convirtió en una cosa del pasado

3.

GIS: segura y libre de mantenimiento.

4.

Espacio libre despues del desmontaje de las bahias aisladas en aire.

Referencias en America Central Hidroeléctrica Itaipú (Brazil/Paraguay) 500kV Caso de negocios: 1. Proveer de infraestructura electrica confiable para una de la mas grande subestación en terminos de potencia generada. 2. 20 unidades generadores con 14 GW de capacidad a) 10 unidades generadores a 60 Hz Brazil b) 10 unidades generadores a 50 Hz Paraguay Solución ABB: 1. Instalación de la GIS en 550 kV GIS con configuración en interruptor y medio y doble interruptor con 54 bahías, 63 kA 2. Sistemas de Transmisión: a) 765 kV AC, 60 Hz b) 600 kV DC 3. La segunda subestación GIS mas grande en 550kV


Beneficios del cliente: 1. Suministro de electricidad confiable para Paraguay y Brazil con approx. 95 Mi MWh/año 2. GIS instalada dentro de la casa de fuerza.

SUBESTACIONES GIS


Generalidades Referencias – Perú (2011 y 2012) 

SE Machupicchu 170kV (GIS Indoor) Modelo: ELK 04 – 170 kV



SE Chevez 220kV (GIS Indoor) Modelo: ELK 14 – 245 kV


MUCHAS GRACIAS....

Ing. Johnny Cuevas C. [email protected] RPC: 991686035 Market Manager PSS ABB

Subestaciones Alta Tension Aisladas en Gas GIS

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